Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время современные транспортные средства работают в условиях увеличивающихся скоростей и динамических нагрузок, что негативно сказывается на техническом состоянии основного и вспомогательного машинного оборудования. В электровозах вспомогательные машины (ВМ) выполняют важные функции обеспечения работы всего оборудования и используются для отвода тепла от силовых электродвигателей, электрических схем и сборок (мотор- вентиляторы), для необходимого функционирования пневматических управляющих устройств и тормозных систем (мотор-компрессоры). Мотор-вентиляторы (МВ) являются основным типом вспомогательных машин электровозов, потребляя до 90% их суммарной мощности. Поршневые мотор-компрессоры (МК) являются внешними источниками вибрации для МВ и оборудования электровозов.
В отличие от силовых двигателей (например, тяговых электродвигателей у электровозов), ВМ не включены в кинематическую схему непосредственного привода транспортного средства. В то же время, ВМ обладают высокой виброактивностью, обусловленной силовым и кинематическим возбуждением от движущегося основания, от рядом работающего машинного оборудования, широкополосной вибрацией от развивающихся дефектов. Проведенные измерения показали, что вибрации ВМ и резонансные явления, вызванные ими, весьма значительны по уровню и превалируют в общем вибрационном фоне электровозов при их стоянке и движении.
Высокая вибрация существенно уменьшает межремонтный пробег ВМ и всего оборудования электровозов, ведет к отказам и неплановым ремонтам. По статистическим данным отказы ВМ составляют до 15% от общего числа отказов электровозов, а фактический межремонтный пробег ВМ почти в два раза меньше нормативного, составляющего у разных типов электровозов 450 - 600 тыс.км. У некоторых локомотивов новых серий наблюдается высокое число отказов подшипников (например, у МВ- 4 электровозов ЭП1), что связано с наличием резонансных явлений.
Поэтому актуальными являются задачи исследования резонансных явлений, измерения пространственной вибрации ВМ в различных режимах работы, определения полного набора силовых и кинематических возмущений, разработки адекватной математической модели и комплекса программ для моделирования колебаний ВМ, проведения оптимизационных расчетов динамических нагрузок и выработки мер по снижению вибрации.
Объектом исследования являются вспомогательные машины транспортных объектов.
Предметом исследования являются математические модели динамики колебательных процессов, численные методы и комплексы программ расчета и моделирования колебаний машин.
Целью диссертационной работы является разработка математической модели, комплекса программ численного моделирования колебаний вспомогательных машин транспортных объектов, с учетом широкого набора силовых и кинематических возмущений для минимизации динамических нагрузок в подшипниках и повышения надежности работы ВМ.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать математическую модель и комплекс программ расчета динамических характеристик и моделирования колебаний вспомогательных машин транспортных объектов как твердых тел на упругих опорных конструкциях с учетом теоретически и экспериментально определенного широкого набора силовых и кинематических возмущений, в том числе, вызванных развитием дефектов.
-
Разработать численный метод и алгоритм преобразования данных датчиков вибрации в колебания по обобщенным координатам и обратного преобразования в колебания критических точек (например, подшипников) для минимизации действующих на них динамических нагрузок.
-
С использованием математической модели и комплекса программ расчета динамических характеристик разработать и экспериментально апробировать методику проведения ударных тестов, спектрального и модального анализа пространственных свободных колебаний для идентификации собственных частот, параметров жесткости и демпфирования ВМ.
-
Разработать методику и программный модуль подготовки данных визуализации колебаний вспомогательных машин по результатам натурного и численного моделирования для определения форм пространственных колебаний.
-
Разработать математическую модель нелинейных и линеаризованных упруго- вязких характеристик резинокордных пластин и оболочек, определить зависимость параметров от дросселирования воздуха в пневмоэлементах, получить аналитические выражения динамических характеристик ВМ на данных опорах.
-
Исследовать комплексный метод расчета динамики ВМ: определения матрицы жесткости сложной опорной конструкции методом конечных элементов с последующим моделированием динамики ВМ как твердого тела при дополнительном включении в опорную систему резинокордных упругих элементов.
Методы исследований. Использовался комплексный методический подход на основе теоретических и экспериментальных исследований, математического и натурного моделирования, численных методов решения дифференциальных уравнений, преобразований колебаний и определения параметров модели. Теоретические исследования в предметной области проводились с применением методов теории линейных и нелинейных колебаний, гармонической линеаризации, спектрального и модального анализа, численной оптимизации. Комплекс программ разработан в системе для инженерных и научных вычислений MATLAB 7.0. Для построения трехмерных образов моделируемых объектов использовалась CAD система, интегрирующая среда PATRAN и конечноэлементный решатель NASTRAN. Визуализация пространственных колебаний проводилась при помощи пакета программ создания и редактирования трёхмерной графики и анимации 3DS - MAX.
Научную новизну диссертации представляют следующие результаты, которые выносятся на защиту:
-
-
Математическая твердотельная модель пространственных колебаний вспомогательных машин транспортных объектов, отличающаяся тем, что в качестве упругих опор рассматриваются распределенные конструкции с приведенными упруго- демпфирующими характеристиками при широком наборе силовых и кинематических возмущений, в том числе от развивающихся дефектов.
-
Впервые предложенный численный метод преобразования данных датчиков пространственных колебаний вспомогательных машин в колебания по обобщенным координатам и обратного преобразования в колебания критических точек ВМ (например, подшипников) для оценки уровня вибрации и вибродиагностики дефектов.
-
Оригинальный метод проведения ударных тестов и идентификации по параметрам пространственных свободных колебаний собственных частот, коэффициентов матриц жесткости и демпфирования математической модели колебаний вспомогательных машин.
-
Ранее отсутствующие методики подготовки данных для визуализации колеба- ний по результатам натурного и численного моделирования необходимые для определения форм пространственных колебаний ВМ и вычисления приведенной матрицы жесткости опорных конструкций ВМ с дополнительным включением нелинейных ре- зинокордных виброизоляторов с изменяемыми линеаризованными упруго-вязкими параметрами для минимизации при твердотельном моделировании динамических нагрузок на подшипниках ВМ.
5. Не имеющий аналогов, объектно-ориентированный комплекс программ численного расчета динамических характеристик и моделирования колебаний ВМ транспортных объектов, включающий: а) созданную программу «Din TT» моделирования колебаний машинного оборудования на подвижном основании; б) разработанные программные модули по определению методом ударных тестов параметров математической модели «Ident VM», диагностики резонансов (в программе «Вибродефект») и визуализации (в программной системе 3DS - MAX) пространственных колебаний трехмерной модели ВМ; в) программно реализованную в интегрирующей визуальной среде PATRAN конечноэлементную математическую модель распределенных опорных конструкций ВМ для определения их приведенной жесткости.
Практическое значение. На основе выполненных исследований экспериментально апробирован метод синхронного измерения колебаний ВМ в точках установки датчиков и преобразования их в пространственные колебания по обобщенным координатам или в колебания в заданных критических точках, например, в точках расположения подшипников с целью объективного определения динамических нагрузок и диагностики дефектов по спектру вибрации. Математическая модель и комплекс программ численного моделирования могут быть использованы для расчета и анализа динамических характеристик МВ при воздействии широкого набора силовых и кинематических возмущений в различных режимах эксплуатации транспортных средств, при развитии дефектов ВМ. Комплекс программ позволяет оптимизировать характеристики упругой подвески ВМ по критерию минимума виброускорения в заданных точках, например в подшипниках. Методика проведения ударных тестов и идентификации параметров модели позволяет варьировать конструкции опор ВМ, а также может эффективно использоваться при проектировании и проведении испытаний транспортных средств. Разработанные математические модели, методики, алгоритмы и комплекс программ могут найти широкое применение, как в научных исследованиях, так и при решении ряда практических задач в различных отраслях промышленности.
Реализация результатов подтверждена актом внедрения от 25.11.2008 г. результатов работы при проведении НИОКР № ДТ/544р/08 от 1.04.2008 г. «Разработка и внедрение комплекса входного виброконтроля и диагностики дефектов мотор- вентиляторов электровозов при их ремонте с учетом фактического состояния». Результаты НИОКР, в частности программа «Вибродефект», в которой содержатся алгоритмы диагностики резонансных явлений в МВ на основе метода ударных тестов, внедрены в ТЧР-2 ст. Нижнеудинск в ноябре 2008 г.
Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальной проверкой основных положений диссертации, сопоставлением результатов аналитических исследований с данными, полученными при численном моделировании.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 3-й и 4-й всероссийской конференции «Винеров- ские чтения» (Иркутск, 2009, 2011); 4-й международной конференции «Проблемы механики современных машин» (Улан-Удэ, 2009); 1-й международной конференции «Passive and Active Mechanical Innovation in Analysis and Design of Mechanical Systems (IMPACT 2010)» (Djeba, Tunisia, 2010); 23-й международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23» (Саратов, 2010); 15-й Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (Иркутск, 2010); 2-м международном симпозиуме «Innovation & Sustainability of Modern Railway» (Иркутск, 2010); 4-й международной конференции «Математика, ее приложения и математическое образование МПМО- 11» (Улан-Удэ, 2011).
Личный вклад. Все положения, составляющие научную новизну и выносимые на защиту, полученные лично автором.
Публикации. Результаты исследований изложены в 18 научных работах, из них 6 публикаций - в журналах, рекомендованных ВАК, получено два свидетельства на государственную регистрацию программ «Вибродефект» и «DinTT».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 189 наименований и 4 приложений. Основной объем работы 190 страниц и приложений на 34 страницах, включая 34 таблицы и 112 рисунков.
Похожие диссертации на Моделирование колебаний вспомогательных машин транспортных объектов в задачах минимизации динамических нагрузок
-
