Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование гидродинамических нагрузок на гребной винт. Анализ осевых знакопеременных усилий и продольных колебаний валов СЭУ .
1.1. Гидродинамические нагрузки на гребной винт 13
1.2. Продольные колебания валов судовых энергетических установок—19
1.3. Анализ характерных повреждений элементов СЭУ, вызванных влиянием продольных колебаний валов 21
1.4. Силы вызывающие продольные колебания
1.4.1. Осевые усилия, возникающие со стороны двигателя 28
1.4.2. Осевые усилия, возникающие со стороны гребного-винта 30
1.4.3. Осевые усилия, возникающие от переменного упора гребного винта, вследствие влияния морского волнения 36
1.5 Методы аналитического исследования продольных колебаний валов судовых энергетических установок 43
1.5.1 Классический метод расчёта продольных колебаний. -43
1.5.2 Операционный метод расчета продольных колебаний 49
1.5.3 Исследование продольных колебаний с позиции теории упругих сред- 7 53
1.5.4 Моделирование продольных колебаний 59
Выводы по 1 главе 63
Глава 2. Анализ датчиков механических напряжений, перемещений и систем измерения продольных колебаний .
2.1. Датчики механических напряжений валов судовых энергетических установок 64 з
2.1.1. Тензорезисторные преобразователи 64
2.1.2. Магнитоупругие преобразователи 68
2.2. Датчики продольных колебаний линии валопровода 70
2.2.1. Датчики с разветвлёнными магнитными цепями рабочей и компенсационной частей— 71
2.2.2. Датчик с разделенными магнитными цепями рабочей и компенсационной частей 73
2.2.3. Датчики с общей магнитной цепью рабочей и компенсационной и компенсационной частей 75
2.2.4. Акустические преобразователи линейных перемещений 79
2.2.5. Волоконно-оптический датчик линейных перемещений 81
2.3. Системы измерения продольных колебаний и осевых усилий линии валопровода 84
2.3.1. Система продольных колебаний AVM-КМЗО-ІЗ 84
2.3.2. Система измерения линейных перемещений 85
2.3.3. Система измерения крутящего момента, упора, частоты вращения
и мощности на гребном валу Kyama Shaft Power Meter (КРМ)---: 88
Выводы по 2 главе 90
Глава 3. Разработка системы автоматическо измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ .
3.1. Принцип действия магнитоупругого датчика упора и продольных колебаний 91
3.2. Динамические характеристики ТМУП осевых усилий .-- 95
3.3. Устройство и конструкция магнитоупругого преобразователя упора и продольных колебаний 100
3.4. Влияние крутящего момента на выходной сигнал ТМУП осевых усилий ЮЗ
3.5. Линейно-кольцевой магнитоупругий датчик упора и продольных колебаний 111
3.6. Комплексный магнитоупругий датчик упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ 119
3.7. Функциональная и принципиальная схемы системы измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ 128
Выводы по 3 главе 133
ГЛАВА 4 Экспериментальное исследование системы измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ
4.1 Экспериментальное исследование статических характеристик ТМУП осевого усилия 134
4.1.2. Экспериментальное исследование влияния крутящего момента на выходной сигнал ТМУП осевого усилия. 137
4.1.3. Натурные испытания системы автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ 138
Выводы по 4 главе 141
Заключение— 142
Литература
- Методы аналитического исследования продольных колебаний валов судовых энергетических установок
- Датчики с общей магнитной цепью рабочей и компенсационной и компенсационной частей
- Динамические характеристики ТМУП осевых усилий
- Экспериментальное исследование влияния крутящего момента на выходной сигнал ТМУП осевого усилия.
Введение к работе
Актуальность. Современный этап развития судостроения характеризуется увеличением грузоподъемности и скорости судов, что в свою очередь приводит к возрастанию мощности судовых энергетических установок (СЭУ) и главных размерений судна. Одновременно с ростом мощности СЭУ ужесточаются требования, предъявляемые к системам дистанционного автоматизированного управления (ДАУ).
В правилах классификации и постройки морских судов Российского Морского Регистра Судоходства (РМРС), указано, что системы дистанционного автоматизированного управления должны обеспечивать изменение знака и величины упора движителей во всех допустимых режимах работы (часть XV «Автоматизация», Глава 4.2., п. 4.2.1.). При этом для корректного управления величиной упора гребного винта, прежде всего, необходимо ее измерение.
Помимо этого в международной конвенции СО Л АС (Глава 5, правило 19), имеются требования к оснащению судов навигационными системами и оборудованием, согласно которых все суда, построенные после 1 июля 2002 г. и валовой вместимостью 500 и более р.т., должны иметь индикаторы усилия и направления упора гребного винта и, если возможно усилия и направления упора подруливающего устройства.
При работе судовых энергетических установок в их валах развиваются знакопеременные осевые усилия, приводящие к возникновению продольных колебаний, которые в свою очередь приводят к преждевременному износу и разрушению рамовых, мотылевых и упорных подшипников, а так же вызывают повреждение рабочих поверхностей зубьев шестерен двигателей и редукторов. В ряде случаев продольные колебания валов приводят к обрыву болтов противовесов коленчатых валов и фундаментных болтов главных упорных подшипников (ГУЛ).
Таким образом, возникает необходимость измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ.
Так как валы судовых энергетических установок обладают значительным запасом прочности, то их упругие деформации, особенно в продольном направлении, ничтожны, что затрудняет преобразование этих деформаций в электрический сигнал. В результате чего, задача надёжного измерения упора гребного винта и продольных колебаний до настоящего времени не имеет удовлетворительного технического решения.
На основании вышеизложенного была определена необходимость разработки системы автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является разработка системы автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
1. Исследование гидродинамических нагрузок на гребной винт и
определение причин возникновения продольных колебаний валов судовых энергетических установок.
2. Анализ методов аналитического исследования продольных
колебаний.
3. Сравнительный анализ датчиков и систем измерения упора и
продольных колебаний.
4. Определение статических и динамических характеристик
трансформаторного магнитоупругого преобразователя (ТМУП) осевого усилия.
5. Разработка магнитоупругого датчика с малой чувствительностью к
магнитной неоднородности материала вала.
6. Разработка функциональной и принципиальной схемы системы
измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов судовых энергетических установок.
7. Проведение экспериментальных исследований системы измерения
упора и продольных колебаний.
Методы исследования.
Для решения поставленных задач использовались методы исследования, основанные на теории электромагнитного поля, теории механических колебаний, теории упругих сред с распределенными параметрами и методах математического моделирования.
Экспериментальные исследования проводились в лаборатории «Элементы и функциональные устройства судовой автоматики» ФГОУ ВПО «Государственная морская академия имени адмирала СО. Макарова». Натурные испытания системы автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний были проведены на танкере-химовозе, дизель-электроходе "Stolt Stream".
Научная новизна. Научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
Предложена методика расчета продольных колебаний, в которой вал рассматривается как упругая механическая система с распределенными упруго-массовыми параметрами.
Аналитическим, расчетным и экспериментальным методами доказано отсутствие влияния крутящего момента на выходной сигнал магнитоупругого датчика упора.
3. Результаты экспериментальных исследований позволили установить:
линейную зависимость выходного сигнала трансформаторного магнитоупругого преобразователя осевого усилия;
отсутствие влияния крутящего момента на выходной сигнал ТМУП осевого усилия;
значительное уменьшение влияния магнитной неоднородности материала вала в линейно-кольцевом и комплексном магнитоупругих датчиках.
Практическое значение работы.
Практическое значение диссертационной работы состоит в следующем:
Разработаны линейно-кольцевой и комплексный магнитоупругие датчики осевого усилия, которые позволяют значительно снизить влияние магнитной неоднородности материала вала;
Разработана система автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов судовых энергетических установок на основе трансформаторных магнитоупругих преобразователей осевого усилия.
Внедрение данной системы позволит предотвратить работу СЭУ в режиме продольных колебаний и, как следствие, поможет предотвратить преждевременные поломки их элементов.
Достоверность результатов.
Достоверность полученных теоретических результатов и выводов базируется на использовании фундаментальных законов и положений теорий: электромагнитного поля, механических колебаний и теории упругих сред с распределенными параметрами, а так же удовлетворительным совпадением результатов расчетов с данными, полученными при лабораторных и натурных испытаниях.
Достоверность результатов экспериментов обеспечена
использованием современных средств измерения и регистрации, и необходимым уровнем воспроизводимости, повторяемости результатов измерения.
Основные положения, выносимые на защиту.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Методика расчета продольных колебаний, при которой вал
рассматривается с позиции теории упругих сред с распределенными упруго-массовыми параметрами.
2. Результаты теоретического исследования влияния крутящего момента на
выходной сигнал магнитоупругого датчика упора гребного винта.
3. Система автоматического измерения упора гребного винта и
продольных колебаний валов СЭУ.
4. Результаты экспериментальных исследований системы автоматического
измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ.
Реализация и внедрение.
Теоретические и практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Электродвижение и автоматика судов» в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственная морская академия им. адм. С.О.Макарова» при изучении дисциплин: «Элементы и функциональные устройства судовой автоматики» и «Системы управления судовыми энергетическими процессами». Так же результаты диссертационной работы были использованы в деятельности предприятий: ООО «Комсомольский-на-Амуре речной порт», 000 «СудТехСервис» (Судовой технический сервис) и 000 «ФТО» (Флотское техническое обслуживание).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского
состава, научных сотрудников и курсантов ФГОУ ВПО «Государственная морская академия имени адмирала С.О.Макарова 2003-2009 гг. г. Санкт-Петербург.
2. Конференции профессорско-преподавательского состава
государственных образовательных учреждений высшего
профессионального образования г. Санкт -Петербурга, 2007 г.
3. Восьмой сессии международной научной школы «Фундаментальные и
прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» Учреждение Российской академии наук Институт проблем машиноведения РАН, 2007 г., г. Санкт-Петербург.
4. Секции электротехники и автоматизации научно-технического совета
Федерального государственного учреждения Российский Морской Регистр Судоходства, 2008 г. г. Санкт-Петербург.
5. Российской конференции с международным участием «Технические и
программные средства управления, контроля и измерения». Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, 2008. г. Москва.
6. Второй международной научно-практической конференции «Измерения
в современном мире - 2009». Российская метрологическая академия, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2009 г. Санкт- Петербург.
7. Международной научно-технической конференции «Наука и
образование - 2009». Мурманский государственный технический университет, 2009 г. Мурманск.
8. X Международной научно-технической конференции
«Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и
комплексы». Южно-Российский Государственный технический
университет. 2010 г. Новочеркасск.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 24 печатные работы, в том числе 5 патентов на изобретения, 2 статьи в журналах по перечню ВАК, 6 статей в материалах международных и всероссийских конференций.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 93 наименований библиографических источников и одного приложения. Содержит 170 страниц, включая 62 рисунка и 6 таблиц.
Методы аналитического исследования продольных колебаний валов судовых энергетических установок
Продольные колебания коленчатых валов и судовых валопроводов в энергетических установках проявляются довольно часто и нередко являются причиной разного рода серьёзных аварий и повреждений [49, 57, 82-91]. Исследованиями, проведёнными фирмами МАН, «Гетаверкен», «Фиат», «Зульцер», «Вяртсиля», и др., было определено, что причина происходящих повреждений — повышенные продольные колебания валов [1, 65, 68, 84, 86] .
Продолжительное время считалось, что основной причиной происходящих в СЭУ повреждений являются крутильные колебания. Поэтому всё внимание исследователей было направлено на изучение крутильных колебаний. В случаях каких-либо повреждений принимались меры по уменьшению крутильной вибрации валов. Однако, несмотря на принятые меры по демпфированию крутильных колебаний, в некоторых случаях повреждения в судовых энергетических установках продолжали иметь место.
Начиная с 50-х годов, в зарубежной и отечественной печати стали появляться сообщения о повреждениях коленчатых валов [68, 85, 88, 91], возрастании износа и разрушении рамовых, мотылевых и упорных подшипников [82, 84, 86]. Участились случаи повреждения рабочих поверхностей зубьев шестерен двигателей и редукторов [87, 89]. Экспериментальными исследованиями ряда фирм были обнаружены в системе "двигатель — валопровод - винт" повышенные продольные колебания, которые оказывали существенное влияние на надежность элементов пропульсивной установки и в ряде случаев являлись причиной происходящих повреждений. ,_ В частности, фирмой МАН проведены экспериментальные исследования продольных колебаний коленчатого вала двухтактного 8-цилиндрового двигателя 75/132 [85], мощность которого была повышена с 4400 до 8800 кВт и увеличена частота вращения двигателя с 123 до 132 мин" . Исследованиями -было установлено трехкратное увеличение амплитуд продольных колебаний, которые на носовом конце коленчатого вала на номинальной частоте вращения достигали 2,5 мм. Так же в установках с двигателями «Фиат» С759 и С685 были обнаружены резонансные продольные колебания валопровода [91].
При исследовании продольных колебаний коленчатого вала двухтактного 12-цилиндрового двигателя фирмы "Зульцер" [89] размерностью 76/155, мощностью 9500 кВт и при частоте вращения 119 мин" вблизи номинального режима на частоте вращения п, = 116 мин"! был обнаружен резонанс продольных колебаний.
Амплитуды колебаний носового конца коленчатого вала при резонансе достигали 1,5 мм, а упругая знакопеременная сила от» продольных колебаний валопровода, действующая на упорный подшипник, составила, около ±50 т. Продольные колебания являлись причиной ненадежной работы упорного подшипника и вибрации корпуса судна.
С увеличением агрегатной мощности двигателей фирмы "Гетаверкен" размерностью 68/150, 76/150 и 85/170 в системе валопровода стали проявляться интенсивные продольные колебания [88].
В результате экспериментальных исследований, проведенных фирмами "Доксфорд", "Хитачи Цозин", "Вяртсиля" [1, 65], были также обнаружены повышенные продольные колебания валопроводов дизельных силовых установок. При повышенных продольных колебаниях вследствие осевой деформации кривошипов мощных судовых дизелей развиваются высокие напряжения в коленчатых валах, являющиеся причиной повреждения последних [85, 88 91].
В процессе выполнения экспериментальных исследований продольных колебаний и напряжений, развивающихся в коленчатых валах главных двигателей фирмы "Фиат" С759 иС685 [86], было установлено, что при резонансах напряжения в шейках возрастают до 200 кгс/см2, а в щеках кривошипов - до 600 кгс/см . ......
Повышенные продольные колебания были обнаружены при измерениях на главных двигателях фирмы "Зульцер". В работе [83] отмечено, чтона двигателях 9RD90,10RD90 и 7RND76, 7RND90, 8RND105 возмущающие силы продольных колебаний при резонансах передаются от двигателя и гребного винта на корпус и надстройку судов, вызывая сильную их вибрацию. При этом вибрация надстройки увеличивается с ростом-продольных колебаний судового валопровода.
Собственные частоты продольных колебаний коленчатых валов и судовых валопроводов с главными двигателями типа RD и RND фирмы "Зульцер" изменяются в пределах 500 800 кол/мин, которые при совпадении с вынужденными, продольными колебаниями от двигателя возбуждают резонансные частоты вращения- 5-7-го порядка колебаний в диапазоне 100-125 миш
На судах отечественного флота также наблюдались продольные колебания с аварийными последствиями и происходящими в системе валопровода повреждениями. На танкерах типа "Ленин , "Лиза Чайкина" [67] систематически появлялись трещины в сварных швах фундаментов упорных подшипников. Продольные колебания валопровода грузового судна [27] являлись причиной разрушения упорного подшипника, на, теплоходе «Раквере" систематически разрушался фундамент упорного подшипника [27]. На рис. 1.6. показаны осциллограммы одновременной записи продольных
Датчики с общей магнитной цепью рабочей и компенсационной и компенсационной частей
Для работы при повышенных температурах рекомендуется использовать тензорезисторы из нихрома. Как было упомянуто выше, проводниковые тензорезисторы подразделяют на проволочные и фольговые. Конструктивное исполнение обоих типов может быть различным. В общем случае проволочный тензорезистор (рис.2.1.,а) представляет собой тонкую тензочувствительную проволоку, уложенную зигзагообразно между двумя электроизоляционными подложками. К концам проволоки присоединяются выводные концы. Для изготовления тензорезисторов применяют проволоку диаметром 0,001...0.05 мм. Электроизоляционные подложки выполняют из папиросной бумаги, лаковой пленки или цемента, скрепляемых клеем или лаком. Зигзагообразную часть тензорезистора называют решеткой, а его продольный размер - базой. Проволочные тензорезисторы обладают сопротивлением 10.. .1000 Ом и имеют размеры 2... 100 мм. Фольговые тензорезисторы (рис.2.1 б) в принципе аналогичны проволочным. Решетка выполняется из фольги толщиной 0,004...0,012 мм. Эта решетка закрепляется между пленками из лака. Фотохимический способ изготовления таких тензорезисторов позволяет создать любой рисунок решетки, что является существенным преимуществом фольговых тензорезисторов. Максимальный ток через тензорезистор ограничивается допустимой мощностью, которая зависит от площади охлаждающей поверхности.
По сравнению с проволочными, фольговые тензорезисторы имеют большую площадь поперечного сечения проводника при одинаковых размерах резистора, поэтому они могут пропускать большой ток. Максимальная сила тока в проводниковых тензорезисторах достигнет нескольких десятков миллиампер.
Для измерения деформации тензорезистор наклеивается на поверхность контролируемой части механизма таким образом, чтобы его продольная ось совпадала с направлением измеряемой деформации.
Прикрепленный к контролируемому объекту, тензорезистор является датчиком деформации. Свойства такого датчика зависят не только от самого тензорезистора, но и от качества его закрепления, которое обычно осуществляют приклеиванием с использованием органических веществ (которые отверждаются вследствие полимеризации).
Приклеивание тензорезисторов приводит к тому, что тензорезисторные датчики представляют собой датчики разового действия, т.е. могут быть использованы только один раз и не подлежат демонтажу и повторной установке. Градуировка не приклеенного тензорезистора практически невозможна. По этой причине обычно градуируют несколько тензорезисторов из одной партии, приклеивая их на специальную тарировочную балку: другим тензорезисторам той же партии присваивают усредненные характеристики, полученные на нескольких образцах.
При относительной простоте тензорезисторов в целом система измерения получается довольно сложной с большим количеством элементов расположенных на вращающемся валу. Опыт эксплуатации тензорезисторных преобразователей показывает, что через три года эксплуатации примерно 40 % тензорезисторов выходит из строя [46]. При выходе тензорезистора из строя произвести его демонтаж и замену в судовых условиях невозможно. Поэтому такие системы имеют низкую надёжность и ремонтопригодность. 2.1.2. Магнитоупругие преобразователи
В магнитоупругих преобразователях (МУЛ) используется магнитоупругий эффект, который проявляется в той или иной степени у всех ферромагнитных материалов. Магнитоупругий эффект заключается в изменении магнитных свойств ферромагнитных материалов под действием упругих механических напряжений.
На рис.2.2 показана конструкция трансформаторного МУЛ, состоящего из двух взаимно перпендикулярных П-образных сердечников, на каждом из полюсов которых расположены катушки. Размеры сердечников таковы, что линии, соединяющие проекции центров полюсов А, В, С и D на поверхность чувствительного элемента, образуют квадрат ADBC. Между сердечниками преобразователя и его чувствительным элементом обычно имеется воздушный зазор. В качестве чувствительного элемента может использоваться рабочая часть контролируемой детали. Катушки полюсов А и В соединяются между собой последовательно таким образом, чтобы имело место чередование полярности полюсов. Катушки полюсов С и D соединяются аналогично. Катушки полюсов А и В питаются от сети переменного тока и образуют обмотку возбуждения, служащую для создания« переменного электромагнитного поля. Выходное напряжение снимается с измерительной обмотки, образованной катушками полюсов С и D.
При отсутствии механических напряжений магнитные сопротивления участков чувствительного элемента AD, АС, ВС, BD равны, поэтому переменный магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, распределяется таким образом, что между полюсами С и D нет разности магнитных потенциалов, а следовательно, нет и магнитного потока, проходящего через катушки измерительной обмотки.
Динамические характеристики ТМУП осевых усилий
Схема обработки сигнала системы предназначена для преобразования значения фазового сдвига двух синусоидальных сигналов, полученных с датчика линейных перемещений (ДЛП), в стандартный электрический сигнал, а также для формирования синусоидального напряжения питания ДЛП. Благодаря применению в ДЛП трансформаторного эффекта и амплитудно-фазового способа преобразования сигнала достигнуты минимальные габаритные размеры датчика.
Для защиты датчика от воздействия теплового потока в нем применена фторопластовая защитная пластина, которая не ухудшает метрологию и не уменьшает диапазон измерения. Для уменьшения влияния воздействий температуры на процесс измерения в датчик введена обмотка термокомпенсации. Сигнал с выводов обмотки термокомпенсации поступает на схему управления термокомпенсацией (БТК). Схема управления термокомпенсацией корректирует воздействие температуры на датчик и производит корректировку параметров электрической схемы преобразователя. Для проверки функционирования всей системы вторичные обмотки в датчике выполнены раздельно. В преобразователе, при необходимости, производится переключение обмоток, и датчик в этот момент практически не реагирует на измеряемый параметр, а на выходе преобразователя появляется сигнал, параметры которого несут информацию об исправности всей системы. Любая неисправность в- датчике приводит к изменению контрольного сигнала, что- служит показателем неисправности системы.
Выходная характеристика датчика имеет большую нелинейность. Для устранения этого недостатка в преобразователь введена схема линеаризации, которая при увеличении входного сигнала до определенного уровня (настраиваемого индивидуально внутри преобразователя) увеличивает коэффициент усиления.1 Это приводит к повышению линейности характеристики всей системы и выполнению требований к нелинейности.
Для формирования- необходимой амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) системы в преобразователь введен активный фильтр нижних частот (ФНЧ), который обеспечивает спад характеристики за1 полосой пропускания (0-100)гГц величиной 8-дБ на октаву.
Блок питания. (БП) содержит стабилизатор напряжения (СИ), поддерживающий выходное напряжение на уровне 18 В, и преобразователь постоянного напряжения- (ППН) осуществляющий гальваническое разделение первичных и вторичных цепей питания.
Генератор (Г) синусоидального напряжения вырабатывает напряжение амплитудной 5 Ви частотной 7 кГц, питающее первичную обмотку датчика. Сигналы со вторичных обмоток датчика - рабочей, опорной и обмотки термокомпенсации - поступают на вход преобразователя, сигналы с рабочей и опорной обмоток - на коммутатор (К). С коммутатора рабочий и опорный сигналы подаются на усилители-ограничители (У01), (У02), где преобразуются в прямоугольные импульсы, которые сравниваются по фазе на фазовом детекторе (ФД). Далее импульсы поступают на устройство выборки-хранения (УВХ), преобразующее длительность импульсов в пропорциональное постоянное напряжение. Затем постоянное напряжение поступает на вход сумматора (С), на другой вход которого поступает сигнал с блока температурной компенсации (БТК). На БТК приходит сигнал с обмотки термокомпенсации датчика, усиливаемый до необходимого уровня, который может подстраиваться индивидуально в зависимости от температурных характеристик всех частей системы. Сигнал с сумматора поступает на схему кусочно-линейной аппроксимации (КЛА), которая имеет нелинейную амплитудную характеристику, позволяющую спрямлять и компенсировать нелинейность характеристики чувствительного элемента системы. Схема КЛА настраивается по точкам излома характеристики. Далее измеряемый сигнал проходит через ФНЧ, который представляет собой фильтр третьего порядка и формирует необходимый полос пропускания системы (0-100) Гц, а также согласует выход системы с входом регистрирующего прибора.
Система КРМ служит для постоянного измерения крутящего момента, упора и частоты вращения.
В датчике крутящего момента применяются тензорезисторные преобразователи, приклеенные к поверхности вала. Датчик крутящего момента аналогичен телеметрическому датчику, описанному в [32]. Датчик крутящего момента состоит из тензорезисторов, наклеенных на поверхность вала под углом 45 к его образующей. Четыре тензорезистора соединены в мостовую схему, питаемую от источника постоянного тока.
Экспериментальное исследование влияния крутящего момента на выходной сигнал ТМУП осевого усилия.
Для повышения точности и надёжности информационно-измерительных систем используется комплексирование измерительных устройств, при котором для измерения одной и той же физической величины применяется несколько измерительных преобразователей (ИП), объединённых в общее комплексное измерительное устройство (КИУ)[15, 22, 41, 42]. При построении комплексных измерительных устройств возможны два направления [42]. В первом случае измерительные преобразователи, обладающие различными динамическими и статическими характеристиками соединяются по определённой структурной схеме. Во втором случае обработка сигналов ИП осуществляется с помощью устройства обработки информации (УОИ) по определённому алгоритму При этом происходит параллельное измерение физической величины несколькими одинаковыми измерительными преобразователями с практически независимыми погрешностями (рис. 3.19). В простейшем случае УОИ вырабатывает выходной сигнал, равный среднему арифметическому значению сигналов измерительных преобразователей. Повышение точности измерения физической величины происходит за счёт того, что дисперсия среднего арифметического уменьшается пропорционально числу ИП по сравнению с дисперсией каждой составляющей.
Комплексное измерительное устройство путём введения избыточной информации позволяет производить усреднение погрешностей при измерении физических величин, изменяющихся во времени. В целом КИУ, содержащее N измерительных преобразователей и устройство обработки информации, можно рассматривать как один датчик, обладающий большей точностью и надёжностью, чем отдельные измерительные преобразователи.
В КИУ обработка сигналов с ИП может происходить с помощью оптимальных и субоптимальных алгоритмов [42].
В КИУ с оптимальным линейным алгоритмом выходные сигналы У\{() У2( \УЛ ) - УЫ{ ) суммируются с различными весовыми коэффициентами Xx,X2,li,...iXNi образуя выходной сигнал x(t)= jZlyl(t)- При независимых погрешностях измерительных преобразователей усреднение сигналов с весовыми коэффициентами приводит к снижению погрешности КИУ по сравнению с погрешностью отдельного ИП. Выбор оптимальных значений весовых коэффициентов Л, проводиться в соответствии с критерием минимума математического ожидания квадратичной погрешности:
Обработка сигналов ИП с помощью оптимального линейного алгоритма в случае ненадёжных ИП может привести к существенным ошибкам при отказе отдельных измерительных преобразователей.
Применение нелинейных оптимальных алгоритмов позволяет значительно снизить погрешность при отказе части ИП. Оптимальный нелинейный алгоритм определяется в соответствии с критерием: где: x(t)- оптимальная оценка сигнала x(t), являющаяся функцией выходных сигналов ИП y](t),y2(t),y3(t),...,yN(t).
Реализация оптимальных алгоритмов обработки сигналов ИП требует применения сложных вычислительных устройств [22]. В ряде случаев часто применяют субоптимальные (близкие к оптимальным) алгоритмы, не требующие для своей реализации сложных вычислительных устройств. При этом снижается точность обработки сигналов ИП с одновременным повышением надёжности. Из субоптимальных алгоритмов широкое применение нашёл алгоритм выбора медианы. В математической статистике медиана связана с вариационным рядом, которым называется упорядоченная совокупность значений у{, расположенная в порядке возрастания [22, 42]: ух у2 ... yN_x yN. При нечётном N = 2п+1 медиана совпадает с средним членом.ряда, т.е.: z = ym+\ =rned{yx,y2,...,yN_„yN).
Операция выбора среднего члена вариационного ряда носит название мажоритарного преобразования. Поэтому можно записать: 2 = Ут+\=аЬ \ Угі- іУя-\ Ук) = таі{У\ Уг -- Уи-\,Ун)-При совпадении большинства сигналов ИП вариационный ряд имеет следующий вид:
В этом случае медиана совпадает с группой одинаковых сигналов, образуя сигнал большинства [22].
Таким образом, при наличии совпадающих между собой сигналов ИП алгоритм выбора медианы реализует принцип «голосования». В случае идеальных преобразователей, при исправном состоянии которых отсутствуют погрешности, на выходе КИУ имеется сигнал, равный сигналу большинства. При отказе некоторого.числа ИП значение выходного сигнала не изменится. Так при N=3 измерительная система нечувствительна к отказу одного ИП, при N=5 — к отказу двух ИП, при N=7- к отказу трёх ИП и т.д. Таким образом, алгоритм выбора медианы позволяет создать надёжный датчик физической величины, в котором сигналы отказавших ИП автоматически отключаются. Реальные ИП обладают погрешностями, поэтому выходной сигнал КИУ определяется тем ИП, сигнал которого совпадает со средним членом вариационного ряда. В этом случае сигнал отказавшего ИП автоматически исключается.
В работе [15] проведён сравнительный анализ точности оценок полезного сигнала по результатам равноточных измерений с помощью двух алгоритмов обработки: алгоритма выбора медианы и алгоритма выборочного среднего. При нормальном законе распределения погрешностей алгоритм выборочного среднего даёт более точную оценку полезного сигнала, чем алгоритм выбора медианы, но различие в точности невелико. При равномерном законе распределения погрешностей алгоритм выборочного среднего имеет большее преимущество по сравнению с алгоритмом выбора медианы. Однако с повышением вероятности больших отклонений погрешностей алгоритм выбора медианы становиться эффективнее алгоритма выборочного среднего. При использовании мажоритарного преобразования вероятность появления ошибок высокого уровня резко снижается. Алгоритм выбора медианы даёт повышение, как точности, так и надёжности оценок. При мажоритарном преобразовании полезный сигнал обрабатывается без искажений, поэтому по отношению к полезному сигналу мажоритарное преобразование является строго линейным [15]. Оценка в виде медианы вариационного ряда оптимальна по минимуму суммы модулей отклонений x(t)-y(n = min . Алгоритм выбора медианы выгодно использовать в тех случаях, когда сведенья о погрешности измерительных преобразователей либо отсутствуют, либо являются малодостоверными. Высокая эффективность оценки с помощью алгоритма выбора медианы достигается благодаря его адаптивным свойствам, когда резко ограничивается влияние появлений погрешностей высокого уровня у части измерительных преобразователей. На рис. 3.20. показаны три непрерывных переменных УІ{ЛУ2{ \УЗ{()- Представим значения этих переменных в виде вариационного ряда:
