Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Информационно-метрологические проблемы жизненного цикла машин и механизмов 15
1.1. Вопросы точности при метрологическом обеспечении жизненного цикла машин и механизмов 22
1.2. Проблема времени в науке, в физике и технике 27
Глава 2. Фазохронометрический метод информационно-метрологического сопровождения циклических машин и механизмов 34
2.1. Описание фазохронометрического метода 34
2.2 Составные части фазохронометрического метода 35
2.2.1. Объект исследования - рабочий цикл машин и механизмов 35
2.2.2. Подход к исследованию рабочего цикла - фазовый метод 37
2.2.3. Метрологическая база фазохронометрического метода-прецизионная хронометрия. Измеряемая физическая величина -интервалы времени 42
2.2.4. Математическое моделирование в фазохронометрическом представлении 47
2.2.5. Единый формат представления информации 51
2.3. Возможности фазохронометрического метода в исследовании и диагностике машин и механизмов 53
2.4. Цели и задачи разработки фазохронометрического информационно-метрологического сопровождения жизненного цикла машин и механизмов 59
Глава 3. Метрологическое обеспечение фазохронометрических систем 61
3.1. Формирование плана измерения при оценке условия по дисперсии De 3.2. Реализация плана эксперимента (t,|i,u0) оценки метрологических характеристик измерительного канала 73 3.3. Формирование плана эксперимента по оценке систематической погрешности по условию me(t)<—ТШе 74 Глава 4. Информационно-метрологическое сопровождение этапа создания циклических машин и механизмов 79 4.1. Обоснование выбора объекта 84 4.2. Экспериментальные исследования часового механизма фазохронометрическим методом 86 4.3. Математическое моделирование часового механизма на этапах разработки, испытаний и изготовления 96 4. 3. 1. Математическое моделирование геометрических параметров часового механизма 96 4.3.2. Математическая модель динамики часового механизма со свободным анкерным ходом 102 4.3.3. Вычислительный эксперимент 105 4.4. Фазохронометрический анализ модернизации турбоагрегата ТЭЦ 111 4.4.1. Исследование модернизации турбоагрегата фазохронометрическим методом 114 4.5. Исследование пары трения подшипников коленчатого вала дизель-генераторов 1-ПДГ4А, 1-ПДГ4Д 125 Глава 5. Информационно-метрологическое сопровождение этапа эксплуатации циклических машин и механизмов 130 5.1. Состояние вопроса в исследовании и диагностике турбоагрегатов ТЭЦ 132 5.1.1. Направления исследования динамики валопровода турбоагрегата 136 5.1.1.1. Первое направление 137 5.1.1.2. Второе направление 139 5.1.2. Экспериментальные исследования синхронных генераторов большой мощности фазохронометрическим методом 143 5.1.2.1. Результаты экспериментальных исследований 145 5.1.2.2. Быстропротекающие процессы переходных режимов функционирующего турбоагрегата 148 5.1.2.3. Автокорреляционный анализ функционирования турбоагрегата 154 5.1.2.4. Спектральный анализ на базе фазохронометрической информации 156 5.1.2.5. Крутильные колебания валопровода турбоагрегата 162 5.1.2.5.1. Методика определение кинематических параметров крутильных колебаний вращающегося валопровода турбоагрегата фазохронометрическим методом 164 5.1.2.5.2. Фазохронометрический анализ включения генератора во внешнюю сеть 165 5.1.2.5.3. Определение параметров низкочастотных крутильных колебаний валопровода ТА фазохронометрическим методом 167 5.1.2.6. Обнаружение дефектов с применением фазохронометрической системы 173 5.1.3. Математическое моделирование функционирующего турбоагрегата в фазохронометрическом представлении 179 5.1.4. Измерительно-вычислительный прогнозирующий мониторинг синхронных генераторов большой мощности 185 5.1.4.1. Определение кинематических параметров вынужденных крутильных колебаний вращающегося вала хронометрическим способом 186 5.2. Разработка методов и средств контроля и диагностики двигателя внутреннего сгорания хронометрическим методом 206 5.2.1. Состояние вопроса диагностики двигателя внутреннего сгорания на базе кинематических параметров 206 5.2.1.1. Научно-исследовательские и экспериментальные работы с использованием фазового подхода по определению параметров работы и диагностике ДВС 211 5.2.1.2. Экспериментальные средства исследования ДВС по неравномерности вращения KB 212 5.2.1.3. Результаты экспериментальных исследований ДВС 213 5.2.2. Математическая модель ДВС в фазохронометрическом представлении 216 5.2.3. Методика экспериментального определения параметров ДВС фазохронометрическим методом 222 Основные выводы и результаты 215 Литература 218 Приложение 239 Введение к работе Актуальность. Надёжная оценка, прогноз технического состояния и аварийная защита технических объектов превращаются в проблему национального масштаба, так как страна вступила в полосу технических аварий и техногенных катастроф. Особенно острое положение сложилось в энергетике и на всех видах транспорта, где без необходимого пополнения парка действующего оборудования его ресурс приближается к исчерпанию. Достаточно отметить техногенные катастрофы на Каширской ГРЭС в октябре 2002 года, Рефтинской ГРЭС в декабре 2007, Саяно-Шушенской ГЭС в августе 2009 г. года и постоянные аварии авиационной техники (в частности вертолётов), сопровождающиеся человеческими жертвами. Решение проблемы обеспечения надежности и долговечности машин и механизмов не найдено. Средства и методы, применяющиеся при метрологическом обеспечении производства и эксплуатации, обладают чрезмерной погрешностью (0,01% - 5%) и не гарантируют раннего предупреждения об авариях. По той же причине оказалось недостаточной их разрешающая способность, не позволяющая различать индивидуальные особенности отдельных однотипных технических объектов, регистрировать эволюцию износа их конструктивных элементов и деградацию конструкционных материалов. В связи с этим, на традиционных принципах не удалось создать эффективные компактные встроенные контрольно-диагностические системы. Между тем, точность измерений в фундаментальных научных (и при этом не только в лабораторных условиях) исследованиях опережает на много порядков уровень точности, достигнутый в машиностроении. Техническая реализация фундаментальных достижений естественных наук уже во второй половине ХХ-го века обеспечила снижение относительных погрешностей измерений расстояний в космическом пространстве до уровня 10-10 %, а в «стерильных лабораторных условиях» – до 10-15 %. В то же время уровень относительных погрешностей линейных измерений при метрологическом обеспечении производства и эксплуатации объектов машиностроения не опускается ниже (10-110-2)%. Столь резкий контраст уровня метрологического обеспечения научных исследований с одной стороны и индустриально-промышленного производства – с другой отражает реально сложившиеся положение в современной техники, для которой характерны: - неопределенность информации как об исходных значениях параметров конструкционных материалов порядка (110)% от их номинальных значений, так и об их изменениях в процессе эксплуатации техники; - отсутствие компактных встроенных информационно-измерительных систем, способных обеспечить безразборную диагностику функционирующих сложных систем, оценку их технического состояния и остаточного ресурса. Прямыми следствиями этого является необходимость: - соблюдения кратных запасов прочности, что влечет кратное изменение удельных габаритно-массовых характеристик конструкций, повышение их материало- и металлоемкости; - тщательной и длительной экспериментальной опытно-конструкторской, конструкторско-технологической и опытно-промышленной отработки каждого изделия. При этом обеспечение и надёжности работы машин и механизмов достигается благодаря применению системы регламентных профилактических осмотров и планово-предупредительных ремонтов с возможностью замены исчерпывающих свой ресурс и выводимых из эксплуатации объектов новыми. В настоящее время ресурс основных фондов отечественной техники в энергетике и на транспорте, в обрабатывающей и добывающей промышленности исчерпан или близок к исчерпанию. Система планово-предупредительных ремонтов при наблюдающемся снижении поставок новой техники взамен близкой к аварийным отказам теряет свою эффективность. Отечественные контрольно-диагностические средства и методы, основанные преимущественно на амплитудных, главным образом, виброакустических подходах, не обеспечивают в полной мере информационно-метрологическое обеспечение жизненного цикла машиностроительной продукции при разработке, изготовлении, эксплуатации и ремонте. В настоящее время в промышленности и на транспорте преобладает аналоговая контрольно-измерительная аппаратура низкой и средней точности, оцифровка показаний которой не приводит к радикальному повышению точности. Отсутствуют инструментальные средства, обеспечивающие единство представления информации на всех этапах жизненного цикла изделия, то есть отсутствует единое представление экспериментальной информации, необходимой для её передачи с этапа эксплуатации в КБ и на производство. Недостаточно и оперативное математическое обеспечение современного промышленного производства, так как математические модели функционирования изделий не учитывают многих возникающих динамических эффектов, не обеспечены инструментальными средствами идентификации, опираются на экспериментальные данные низкой и средней точности, не могут служить надёжной основой САПР. Положение усугубляется возрастанием вероятности аварий на транспорте и в энергетике в связи с увеличением физического старения и износа оборудования и недостаточностью его возобновления. В наиболее широко распространённой вибродиагностике основой получения информации являются виброволновые процессы, возникающие при взаимодействии частей устройства. Из-за погрешностей изготовления возникают вибрации, значительно превышающие виброволновые процессы от зарождающихся дефектов. В связи с приработкой, износом, изменением режимов работы, условий эксплуатации и деградацией технической системы происходит неизбежное изменение параметров колебательных процессов, исключающее наличие устойчивых во времени диагностических признаков. Проблема использования спектров колебательных процессов, дающих основную диагностическую информацию, заключается в том, что их структура со временем радикально изменяется (особенно на длительных интервалах эксплуатации), и поэтому их использование для получения трендов и прогноза не даёт надёжных результатов. В современных условиях необходимы методы и информационно-измерительные системы, обеспечивающие оперативную регистрацию процессов деградации и обнаружения зарождающихся дефектов функционирующих объектов, обеспечивающих диагностику и аварийную защиту. Остаётся нерешённой проблема информационного обмена между этапами жизненного цикла, особенно от этапа эксплуатации, где информация минимизирована в целях снижения затрат. Не обеспечена эффективная диагностика малооборотных и тихоходных механизмов, изделий точной механики, имеющих низкий уровень вибрации, высокооборотных систем с распределенной массой и др. (например, ГТД различного назначения). Задача перехода к ремонту по оценке текущего технического состояния объекта в авиации, наземном транспорте, теплоэнергетике, гидроэнергетике поставлена уже не первое десятилетие, но до сих пор не решена. Цель работы Создание методов и средств информационно-метрологического сопровождения жизненного цикла машин и механизмов в едином формате контролируемых метрологических характеристик на основе рекордной стабильности используемых технических средств современной отечественной хронометрии и преимуществ фазового метода Научная новизна 1. Впервые разработаны научные основы информационно-метрологического сопровождения жизненного цикла машин и механизмов на базе прецизионного хронометрического анализа фазы рабочего цикла в едином формате контролируемых метрологических характеристик. 2. Впервые разработаны общие принципы и методологические основы исследования, диагностики и аварийной защиты циклических машин и механизмов фазохронометрическим методом. 3. Разработаны общие принципы математического моделирования машин и механизмов для применения на всех этапах жизненного цикла в фазохронометрическом представлении. 4. На основе фазохронометрического подхода разработаны единые принципы проектирования фазохронометрических измерительных систем для исследования, диагностики и аварийной защиты машин и механизмов. 5. На базе фазохронометрического подхода разработаны научные, теоретические и методологические основы - создания новых средств и методов оценки технического состояния функционирующих турбоагрегатов (ТА) большой мощности, - измерительно-вычислительного мониторинга текущего технического состояния и аварийной защиты функционирующих синхронных генераторов большой мощности, - исследования и диагностики двигателей внутреннего сгорания, - исследования и диагностики часовых механизмов. Значимость 1. Достигнутая чувствительность фазохронометрических систем реализует выявление зарождающихся дефектов, что недоступно традиционным методам диагностики (в частности, вибродиагностике). 2. Разработан проект информационно-метрологического сопровождения, диагностики и аварийной защиты ТА и вспомогательного оборудования ТЭЦ, обеспечивающий переход от системы планово-предупредительных ремонтов к системе ремонтов на основе оценки текущего технического состояния, эффективность которого подтверждёна технико-экономическим обоснованием составит в прогнозных ценах (дисконтированный по ставке 11%) в виде чистого приведенного дохода – 970 млн. руб. при сроке окупаемости – 4 года. 3. Разработан проект информационно-метрологического сопровождения, диагностики и аварийной защиты гидроагрегатов ГЭС на базе тестовой и функциональной диагностики, обеспечивающий переход от системы планово-предупредительных ремонтов к системе ремонтов на основе оценки текущего технического состояния. Эффективность проекта подтверждёна технико-экономическим обоснованием, разработанным в соответствии с требованиями ОАО «РусГидро». Экономический эффект только для гидроагрегатов Волжской ГЭС при номинальных инвестициях в 300 млн. руб. (в прогнозных ценах - 335 млн. руб.) приведенный доход первого проекта (в прогнозных ценах) составит 708 млн. руб. 4. Достигнутая относительная погрешность определения периода вращения валопровода ТА ТЭЦ 5Ч10-4 % позволила реализовать регистрацию его крутильных колебаний, возбуждаемых изменениями нагрузки и управляющих воздействий, которые считаются одной из основных причин накопления усталости в металле валопровода и аварийного трещинообразования в нём. Технология измерения параметров крутильных колебаний валопровода ТА в энергетике отсутствует. 5. Фазохронометрические системы выполняют регистрацию быстропротекающих процессов и в сотни раз более оперативны, чем штатные средства ТЭЦ, что обеспечивает новый уровень аварийной защиты ТА. 6. Разработан систематический безразборный измерительный контроль частотных характеристик и диагностика функционирующих синхронных генераторов Единой энергетической системы в рабочих режимах, не имеющий аналогов в мире (подтверждено патентом). 7. Разработаны методы и средства диагностики циклических механизмов (например, часовые механизмы, турбоагрегаты, гидроагрегаты, газотурбинные двигатели, ДВС, электродвигатели, редукторы, подшипники и др.), значительно сокращающие цикл испытаний для подтверждения их работоспособности. Основные положения диссертации, выносимые на защиту 1. Фазохронометрический метод исследования и диагностики на базе прецизионного хронометрического анализа фазы рабочего цикла обеспечивает информационно-метрологическое сопровождение жизненного цикла машин и механизмов в едином формате контролируемых метрологических характеристик. 2. Математическое моделирование циклических механизмов в фазохронометрическом представлении обеспечивает внедрение математических методов непосредственно в процесс разработки, изготовления и эксплуатации машин и механизмов. 3. Фазохронометрическая информация обеспечивает измерительно-вычислительный прогнозирующий мониторинг, диагностику текущего технического состояния и аварийную защиту турбоагрегатов и вспомогательного оборудования ТЭЦ. 4. Быстродействие ФХС и математическая обработка экспериментальных данных обеспечивают аварийную защиту и прогноз технического состояния машин и механизмов. Достоверность и обоснованность результатов обусловлены корректностью применения математического аппарата и вычислительных методов, опорой на метрологически корректное получение и использование экспериментальных данных, привязкой средств измерений к Государственной системе поверки времени и частоты, контролем уровня погрешностей измерений и вычислений на всех стадиях создания и применения фазохронометрических систем. Апробация результатов диссертации Положения и результаты работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях и совещаниях-семинарах: - Всесоюзная научно-техническая конференция «Волновые и вибрационные процессы в машиностроении», г. Горький, 1984, 1985, 1989 г.г.; - VI Всесоюзная школа «Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов решения задач математической физики», г. Горький, 1986 г.; - 5-я Всесоюзная научно-техническая конференция «Фотометрия и её метрологическое обеспечение», 1984 г.; - 12-я Всесоюзная научно-техническая конференция «Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов», 1985 г.; - Всесоюзное совещание-семинар «Инженерно-физические проблемы но-вой техники», 1990, 1992, 1996, 1998, 2001, 2003, 2004, 2006. г.г.; - научно-техническая конференция «Состояние и проблемы технических измерений», МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997, 1998, 2000, 2002, 2004, 2008 г.г.; - Международная научно-техническая конференция «Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники» (Чкаловские чтения): Егорьевск Московская область, 1995, 1997, 1999, 2002, 2004, 2007 г.г.; - конференция «Проблемы машиноведения», НФ ИМАШ РАН, Н. Новгород, 1997, 2001, 2006 г.г.; - Научная школа: Фундаментальные проблемы и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем («Фридлендеровские чтения»), Санкт-Петербург, ИПМ, 2002, 2005, 2007, 2009 г.г.; - труды академических чтений по космонавтике. Чкаловские чтения. 2004г. - Всероссийский научно-технический семинар «Проблемы вибрации, виброналадки, вибромониторинга и диагностики оборудования электрических станций» 2005, 2007 г.г.; - вторая Всероссийская научно-техническая конференция «Методы и средства измерений электрических величин», г. Суздаль, 2009. Публикации по результатам работы. По результатам выполненных исследований опубликованы 86 работ, в том числе, 25 статей в научно-технических журналах, в журналах по списку ВАК – 13 статей, 50 тезисов докладов на научно-технических конференциях. Получены патент и два авторских свидетельства на изобретение. Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, списка условных обозначений и сокращений, общей характеристики работы, 5 глав, выводов, списка использованных источников и 2 приложений. Работа содержит 287 страницы, из них рисунки на 53 страницах, таблицы на 4 страницах, 20 страниц списка литературных источников. Приложения на 48 страницах. Традиция философского анализа понятия времени имеет тысячелетнюю историю и восходит к именам Гераклита, Демокрита, Платона, Аристотеля, Лейбница, Ньютона, Гегеля, а затем к Эйнштейну и Пригожину [14,15]. В любой из наук можно обнаружить комплексы вопросов, исчерпывающие ответы на которые могут быть даны лишь при наличии ясных представлений о сущности и природе времени. Эти вопросы имеют самое непосредственное отношение к новейшему этапу развития современной научной мысли, к преодолению имеющихся трудностей. Как указывают философы, в настоящее время решение физических [16,17], химических [18,19], геологических [20], географических [21,22], биологических [23,24], экономических [25,26,27], социологических [28,29], исторических [30,31], литературоведческих [32,33] вопросов не обходится без учёта фактора времени. Философский анализ — это первое звено в цепи последовательного изучения проблемы времени, в отсутствие которого невозможно достаточно эффективное конкретно-научное рассмотрение, ибо оно лишается в таком случае своей необходимой основы [14,34]. Канке В.А. показывает «необходимость учитывать, что как философская категория понятие времени является наиболее всеобщей абстракцией среди всех других временных понятий». Но «наиболее всеобщие абстракции возникают вообще только в условиях наиболее богатого конкретного развития, где одно и то же является общим для многих или для всех» и, что «количественное бытие движения есть время» имеет философский- характер и оно позволяет с единой точки зрения рассматривать материал самых разнообразных наук [34]. Философия показывает, что время органично взаимосвязано с процессами движения и развития и что особенно большое значение имеет взаимосвязь времени и развития. Нельзя сколько-нибудь подробно уяснить, что есть время, без тщательного осмысления процессов развития в природе. Например, наиболее фундаментальная характеристика природы времени выражается следующими четырьмя положениями: а) вывод об объективной реальности времени, б) характеристика движения как способа существования материи, в) понимание движения как сущности времени, г) определение времени как количественного бытия движения. Каждое из этих положений имеет основополагающее значение. «Движение материи есть сущность времени. Время, следовательно, есть проявление движения. Движение материи и время соотносятся друг с другом не как содержание и форма, причина и следствие, действительность и возможность, необходимость и случайность, а как сущность и явление. Время выступает как проявление движения материи, взаимообусловленности и взаимоопределения материальных объектов и процессов. Оно не существует само по себе, оно вызывается к жизни материальными процессами. Время есть проявление движения, поэтому между тем и другим существует определенное соответствие» [35,39]. Согласно Я.Ф. Аскину [36], рассматриваются три часто встречающихся пути определения природы времени. Согласно первому из них, время определяется как длительность и порядок последовательности явлений. Всякое время есть совокупность определенных продолжительностей, длительностей. Длительности — это компоненты времени, подобно тому, как материальные объекты являются предметными формами материи. Там, где есть материальные объекты, которые каким-либо образом взаимоопределяют друг друга, есть и длительности. Там же, где нет материальных объектов, их движения, нет и длительностей, но в этом случае вообще нет какой-либо объективной реальности. Утверждается также, что время есть проявление динамики материальных процессов. Таким образом, время взаимосвязано со всеми процессами в природе, физике и технике. Проникновение времени в содержание и методологию науки особенно отчётливо прослеживается на примере классической механики, в рамках которой вслед за статикой сформировалась кинематика, а затем - динамика [37]. Знаменательно, что в дальнейшем переход по восходящей от времени классической механики к времени релятивистской физики привел к формированию представлений о едином континиуме пространства и времени. Не теряет актуальности и проблема включения времени в описание необратимости реальных процессов и систем, их эволюции "от существующего к возникающему" [15] и, конечно, при построении научных прогнозов. Время - одно из наиболее ёмких и многоплановых понятий науки, пронизывающих её от фундаментальных первооснов до конкретных отраслей. Являясь физической величиной, оно служит количественной мерой изменения состояния различных систем, в том числе, технических, и выступает при этом или в качестве динамической переменной или параметра, характеризующего эволюцию системы, её необратимые изменения и деградацию, поэтому, вопрос: «Стареют ли часы?» - имеет серьёзную физико-техническую подоплёку. Вместе с тем, потенциальные возможности использования времени для изучения поведения технических систем, оценки и прогноза их состояния ещё в полной мере не использованы. Одна из причин этого - недостаточно высокий уровень применения хронометрии в условиях производства и эксплуатации промышленной продукции. Эталонная база хронометрии (измерение времени и частоты) имеет рекордную- стабильность, благодаря опоре на фундаментальные атомные константы [38]. Наиболее устойчивым процессом любой технической системы является её рабочий цикл, так как на протяжении всего жизненного цикла от разработки до эксплуатации все технические мероприятия направлены на его обеспечение. На этапе создания при анализе и формировании конструкции и рабочего цикла изделия применяются накопленные теоретические и экспериментальные знания, а также опыт эксплуатации прототипов и аналогов конструкции. На этой основе детально рассчитываются геометрия, кинематика движения и динамика частей конструкции. Также решаются задачи - выбора параметров оптимального взаимодействия деталей, - обеспечения минимального износа, устойчивости рабочего цикла к внешним воздействиям, - сохранения синхронизма движения элементов конструкции, обес печивающих надёжную работоспособность изделия в условиях эксплуатации и др. При использовании методов и опыта разработки аналогичных изделий, математических моделей и вычислительного эксперимента определяются основные параметры, гарантирующие устойчивую работу создаваемого изделия. На данном этапе наиболее важно определить физические величины и характеристики для оценки оптимального функционирования изделия. На этапе эксплуатации задачей всех систем управления и технического обслуживания (все виды профилактики и ремонта) является поддержание контролируемых характеристик рабочего цикла в заданных пределах, что объективно обуславливает их относительную стабильность. Неоднородность рабочего цикла на заданном мерном интервале, вызываемая взаимодействием элементов механизма, дефицитом смазки, локальными дефектами и износом, перекосами, люфтами, нарушением синхронизма движения взаимодействующих конструктивных элементов и т.п., обеспечивает регистрацию индивидуальных количественных особенностей параметров каждого серийного механизма. Характер движения частей устройства определяется механическими и электромеханическими связями в сочетании с особенностями взаимодействия контактирующих деталей. Возможности широко применяемых методов1 исследования и оценки технического состояния объекта зависят от используемых физических эффектов (виброакустических, тепловых, электродинамических и др.), проявляющихся в процессе работы, а сам рабочий цикл кон тролируется на соответствие установленным параметрам (параметрическая диагностика). В отличие от традиционных методов исследования, при фазо-хронометрическом подходе контролируются характеристики движения деталей и частей устройства, а в качестве основного информационного параметра используются интервалы времени, регистрируемые при прохождении элементами механизма интервалов фаз рабочего цикла. Известно, что эффективность решения теоретических задач существенно зависит и от выбора системы координат. Так, в задачах математической физики оказываются эффективными ортогональные криволинейные координаты: эллиптические, биполярные, тороидальные и т.п., в задачах небесной механики - сферические координаты, координаты Делоне. Во всех этих случаях учитываются геометрические свойства - форма и симметрия изучаемых объектов и систем. Эти геометрические свойства определяются такими физическими факторами, как распределение масс, электрических зарядов, потенциала сил и т.п. Среди привязанных таким образом к физически выделенным направлениям координатных осей одна оказывается наиболее информативной. Так, например, в системах с центральной или аксиальной симметрией максимальную информацию содержат функциональные зависимости от расстояния до центра или оси симметрии [53]. Существенно, что подобные закономерности обнаруживаются и при рассмотрении поведения динамических- систем в фазовом пространстве, в том числе при использовании переменных действие-угол [54]. Так, для-технических систем, в частности, механических и электромеха-. нических устройств циклического действия наиболее информативной координатой является полярный угол радиус-вектора точки, отображающей на фазовой плоскости состояние циклической системы. В отсутствии возмущений траектория? этой точки образует за время полного цикла замкнутый контур. Площадь участка фазовой плоскости, заключённого внутри этого контура, и полярный угол радиус-вектора (фаза) лежащей на контуре изображающей точки могут быть использованы в качестве независимых переменных, однозначно определяющих состояние циклической системы. Динамические свойства циклических систем при достаточно высоких энергиях (достаточно большой "площади цикла") таковы, что, как уже отмечалось выше, податливость "площади цикла" по отношению к возмущениям гораздо ниже податливости фазы. Следовательно, обладая наибольшей чувствительностью по отношению к возмущениям, фаза цикла в этом случае является наиболее информативной координатой. В машинах и механизмах вследствие неизбежного разброса геометрических параметров деталей, рабочих характеристик изделия, нестабильности свойств материалов и влияния внешних воздействий происходят изменения кинематических параметров движения элементов механизма. Поэтому рабочий цикл отображается на фазовую плоскость так, что область локализации из замкнутой линии превращается в ленту конечной ширины, отражающую вариации режимов работы. Например, у часового механизма период колебания баланса значительно более устойчив к внешним воздействиям, чем амплитуда колебания. Анализ обработки результатов его измерений позволяет получить информацию о рабочем цикле механизма при механических воздействиях в условиях помех [55]. Таким образом, отображенная на фазовой плоскости линия цикла выделяет на ней область, площадь которой относительно мало чувствительна к изменениям состояния системы. Вместе с тем, положение границ, соответствующих характерным этапам цикла, существенно зависит от изменения состояния механизма. Отмеченная закономерность, свойственная циклическим механизмам, использована в фазохронометрическом методе для исследования, контроля и диагностики. На практике в данном случае наблюдаемыми величинами являются интервалы времени, соответствующие характерным интервалам фаз рабочего цикла, то есть реализующие фазохронометрические измерения. Таким образом, предлагаемый метод исследования циклических машин и механизмов базируется на применении в качестве основного информационного параметра длительности фазы рабочего цикла и имеет следующие особенности: - пределы отклонений любых других рабочих параметров от своих номинальных значений для правильно функционирующих, не имеющих дефектов механизмов минимальны и эффективность применения для их изучения амплитудных (виброакустических) методов недостаточна во многих случаях; - потенциальная точность и помехозащищенность фазовых методов при использовании на функционирующих объектах выше, чем у амплитудных. Установлено, что при малых отношениях сигнал/шум информация о сигнале известной частоты содержится в основном в его фазе [56]. Также разрабатывается метрологическое обеспечение фазометрии [57]. Случайная оценка Т имеет гауссовское распределение. Возьмем её модуль в качестве аргумента решающей функции. Тогда будем иметь случайное событие Т uo. Его вероятность представляется следующим выражением План эксперимента (t, 1, йо) является оптимальным. Он обеспечивает оценку условия mc(t) —Ттс при минимальном объеме многократных изме- рений \х для заданных ограничений на вероятности ошибок 1-го и 2-го рода следующего вида Если принимается решение r(t ]= 15 следует выполнить корректировку систематической погрешности. Формирование плана эксперимента для такой корректировки рассмотрено в работе [100] В соответствии с вышеизложенной методикой выполняются измерения и расчет для проверки заданных метрологических характеристик измерительных каналов на опытном варианте установки. Сравнение результатов расчета и обработки измерений периода следования тестовых импульсов показывает соответствие погрешности измерительных каналов по дисперсии и систематической погрешности установленному допуску. Применение данной методики позволяет проводить проверку измерительных каналов без построения моделей формирования погрешностей по всем функциональным составляющим измерительного канала и не связана с конкретным типом канала, что позволяет использовать данный подход без изменений в случае модификации аппаратной части комплекса. Таким образом, с использованием процедуры многократных измерений и методов их планирования при оценке качества измерительной процедуры по уровню систематической погрешности и дисперсии разработано метрологическое обеспечение встроенных фазохронометрических систем (например, для турбоагрегатов ТЭЦ и гидроагрегатов), измерительные каналы которых встраиваются в объект и работают в условиях его эксплуатации. Предложенный подход обеспечивает непрерывный количественный контроль метрологических характеристик измерительного канала в процессе эксплуатации изделия без необходимости перерасчёта поверочного интервала при вариациях условий эксплуатации и влияющих величин. Тем самым оценка годности измерительного канала выполняется по текущим метрологическим характеристикам, что повышает надёжность фазохронометрических систем и снижает затраты на их реализацию. Для исследования часовых механизмов была разработана и изготовлена фазохронометрическая система (ФХС), осуществляющая непрерывную последовательную регистрацию продолжительности интервалов времени, соответствующих периоду колебания баланса, как в нормальных климатических условиях эксплуатации, так и при температурных и механических воздействиях. Оптико-электронные (фотоэлектрические) измерения обеспечили повышение точности измерения на три порядка. Зарубежный опыт также свидетельствует о предпочтительности применения оптико-электронных методов для аналогичных измерений [112]. В состав ФХС входят: - информационный элемент (контрастная метка на поверхности балан са или его спица), - блок объективов жестко закреплённых на корпусе ЧМ или стойке, - световоды, подводящие световой поток и передающие далее модулированный меткой на балансе отражённый световой поток, - блок формирования измерительного сигнала, - блок измерения интервалов времени, - ЭВМ, - системное программное обеспечение, - пакет прикладных программ. Созданная ФХС обеспечила абсолютную погрешность измерения периода колебания баланса не более ±Г 10"6с. Блок-схема ФХС измерения периода колебания баланса представлена на рис. 4.2, а измерительная позиция на рис. 4.3. С помощью ФХС были получены массивы экспериментальных данных из последовательно измеренных периодов колебания баланса для различных часовых механизмов. С помощью математической обработки на ЭВМ были построены гистограммы, типичные примеры которых представлены (рис. 4.4 и 4.5). При их сравнении видна отчетливо индивидуальность механизмов, зависимость их параметров от конструктивно-технологических факторов и различных воздействий. При этом выявлено, что распределение значений периода колебания баланса не подчиняется нормальному закону распределения вопреки существующим представлениям. Периодограмма механизма (рис.4.6) показывает наличие закономерного чередования вариаций периода (период колебания баланса Т=0,4 с). Дальнейший автокорреляционный анализ позволил установить, что на ограниченном временном интервале у часовых механизмов имеется детерминированная составляющая с ярко выраженной периодичностью, что характеризует их как добротную автоколебательную систему с узкополосным шумом (рис. 4.7). Исследование механизмов в нормальных климатических условиях показало, что расчётные характеристики отражают особенности взаимодействия деталей. Математическая обработка результатов измерения даёт параметры исходного состояния при исследовании влияния конструктивных из-МЄНЄРІИЙ и внешних воздействий на работу изделий. На основе автокоррело-грамм сделан вывод о том, что ход часов имеет индивидуальные особенности для каждого механизма, и при этом параметры автокоррелограмм формируются явно преобладающими факторами (например, изменение момента в зубчатой передаче), что противоречит существующим представлениям. При этом случайная составляющая имеет незначительную величину. Даже высокая точность измерения не позволяет выделить ее без специальных математических методов. Параметры автокорреляционных функций и их характеристики для механизмов, не имеющих дефектов и прошедших технологические испытания, находятся в определенных пределах для различных периодов колебания баланса и служат для оценки функционирования изделия и прогноза его работы в условиях эксплуатации. С помощью ФХС впервые были проведены последовательные измерения периода колебания баланса при ударных и вибрационных воздействиях, а также при положительных и отрицательных температурах. Обработка экспериментальных данных показала устойчивость периода колебания баланса, а, следовательно, и автоколебательной системы часов к единичным ударам, последействие которых распространяется на I...3 периода. Основными в этом случае являются прочностные характеристики деталей. Вибрация оказывает значительно большее влияние на работу ЧМ. Для-изделия с периодом колебания баланса Т=0,2с на рис. 4.8 показана авто-коррелограмма при работе ЧМ в НКУ. Однако для данного ЧМ вибрация более низкого уровня, оказывая систематическое длительное воздействие, существенно влияет на движение баланса, точность и работоспособность изделия..Проблема времени в науке, в физике и технике
Составные части фазохронометрического метода
Реализация плана эксперимента (t,|i,u0) оценки метрологических характеристик измерительного канала
Экспериментальные исследования часового механизма фазохронометрическим методом
Похожие диссертации на Информационно-метрологическое сопровождение жизненного цикла машин и механизмов на базе прецизионного хронометрического анализа фазы рабочего цикла
