Введение к работе
з
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
Повышение качества контроля вибропрочности изделий ракетно-космической техники в процессе наземных испытаний является актуальной задачей современного состояния этой отрасли промышленности. По данным зарубежных и отечественных исследователей 60 - 80% поломок авиационной и космической техники вызвано усталостными изменениями в изделиях под действием периодической вибрационной нагрузки. Поэтому наиболее распространенным из всех видов испытаний является гармоническое вибрационное воздействие с разверткой по частоте.
При рассмотрении этой процедуры применительно к классу линейных механических систем чаще всего объект испытаний представляется в виде совокупности взаимодействующих резонаторов, каждый из которых по мере изменения частоты воздействия вносит свой вклад в частотную характеристику всего объекта. Наиболее выраженными резонансными свойствами обладают изделия ракетно-космической техники, которые, в силу ограничений по весу, имеют малый разрешенный запас прочности. Известная заранее, частотная характеристика изделия может быть введена в память управляющей ЭВМ и использована при задании переменного уровня гармонического воздействия в процессе развертки частоты.
Проблема, однако, в том, что частотная характеристика объекта испытаний не всегда известна заранее. Кроме того, при изменении частоты вибрационного нагружешія имеет место взаимное влияние вибратора и изделия. Такая ситуация создает проблемы для системы управления испытаниями, что приводит к снижению точности поддержания заданного уровня нагружения а, иногда, и к разрушению объекта испытаний.
В связи с этим приобретает актуальность вопрос динамического (в темпе нагружения) диагностировашія колебательных процессов в объекте испытаний при отсутствии (недостатке) априорной информации о параметрах объекта. Особое значение это имеет при вибрационных испытаниях конструкций резонансного характера с пониженным запасом прочности, применяемых, например, при создании космических аппаратов.
Известные процедуры управления чаще всего используют в качестве информативной текущие изменения амплитуды вибрационного ускорения объекта, что не обеспечивает необходимую точность нагружения. Использование фазочастотной характеристики изделия в алгоритмах управления сводится обычно к грубой оценке изменения фазы на уровне 90 и не дает заметного эффекта для сложных многомассовых конструкций.
Для повышения точности и эффективности испытательных процедур необходимо пересмотреть традиционные подходы к моделированию поведения комплекса «вибратор - изделие» при вибрационном нагружении. Существует., необходимость более тонкого анализа амплитудных и фазовых характеристик этого комплекса, разработки новых методов динамического оценивания происходящих в конструкции процессов и алгоритмов управления на их основе.
Необходимо создание аппаратурных и программных средств для реализа ции разріботашшх методов диагностирования и алгоритмов управления вибра ционными испытаниями.
Таким образом, разработка нового метода динамического амплитудно фазового диагностирования и средств управления гармоническими вибрацион ными испытаниями изделий представляется актуальной, позволит повысит] точность поддержания вибрационного нагружения, что особенно актуально прі контроле вибропрочности изделий ракетно-космической техники.
Целью настоящей работы является разработка нового метода динамнче ского диа-ностирования критических частотных интервалов при гармонически вибрационных испытаниях, а также разработка алгоритмов и средств управле ния испытаниями для повышения качества контроля вибропрочности издели ракетно-космической техники.
В соответствии с этим решались следующие задачи:
математическое моделирование комплекса «вибратор - изделие» пр]
гармонических вибрационных испытаниях;
экспериментальное и аналитическое исследовшше комплекса «вибрато
- изделие», как объекта управления при вибрационном нагружении, с анализої
совместного поведения амплитудных и фазовых характеристик;
анализ измеряемых параметров процессов в комплексе «вибратор - из делие», позволяющих предсказывать критические частотные интервалы в прс цессе развертки частоты воздействия;
разработка метода динамического - в темпе развертки частоты - диаі ностирования критических частотных интервалов;
разработка алгоритмов управления вибрационными испытаниями с ис пользованием предложенного метода диагностирования;
выработка рекомендаций для построения виброиспытательной аппарг туры на основе полученных результатов, разработка и создание виброиспьш тельной аппаратуры.
В работе получены следующие новые результаты:
-
Рассмотрена задача динамического (в темпе развертки частоты возле? ствия) диагностирования критических частотных интервалов в комплексе «ви ратор - изделие». Выработаны критерии попадания комплекса в критически частотный интервал и разработан амплитудно-фазовый метод диагностировг ния.
-
Исследовано теоретически и экспериментально доказано, что в ко\ плексе «вибратор - изделие» в процессе развертывающегося по частоте гармс нического воздействия возможно появление критических частотных интервале с высокой динамичностью изменения амплитуды в результате взаимодействн механической системы и электродинамического вибровозбудителя.
-
Теоретически исследовано для моделей с сосредоточенными и распрі деленными параметрами поведение амплитуды и фазы колебаний в точке прі
5 ожения вынуждающей силы к механической системе; показано, чта сущест-енные шменения указанных параметров происходят до наступления критиче-кого частотного интервала
-
Предложена классификация алгоритмов управления гармоническим ибрационным нагружением с выделением в отдельный класс амплитудно-іазовьіх алгоритмов.
-
Разработаны адаптивные алгоритмы управления гармоническими виб-ационными испытаниями на базе предложенного амплитудно-фазового метода. гказано место разработанных алгоритмов в предложенной классификации.
Экспериментальное и математическое моделирование, методы теории ко-гбаний, методы теории управляемых систем.
Полученные результаты позволяют расширить представления о таведении змплекса «вибратор - изделие» при гармоническом вибрационном нагружении случае резонансного характера механической конструкции и электрадинами-гского вибровозбудителя. Полученные зависимости в поведении ампжитудно-істотной и фазо-частотной характеристик в точке приложения к изделию выпадающей силы позволяют диагностировать приближение критических час-)тных интервалов, имеющих высокую динамичность изменения амплитуды шебаний.
Разработанные на основе метода динамического диагностирования адап-гвные алгоритмы позволяют разрабатывать новые структуры систем управлені вибрационными испытаниями конструкций резонансного характера с полу-:нием более высокого качества контроля вибропрочности.
Выработанные рекомендации для построения виброиспытательной аппа-ітурьі и программного обеспечения позволяют создавать виброиспытатель->іе комплексы с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
На основе разработанного метода динамического диагностирования раз-іботано устройство для виброиспытаний, ориентированное на изделия резо-інсного характера, например, ракетно-космической техники; разработанное тройство защищено патентом РФ 2138792.
-
Амплитудно-фазовый метод динамического диагностирования состоит измерении в процессе виброиспытаний амплитуды и фазы колебаний в точке иложения вынуждающей силы и слежении с учетом предыстории за сочетаем в определенной последовательности знаков производных амплитудной и новой частотных характеристик, при этом фазовая задержка измеряется отно-телыю напряжения на силовой катушке вибровозбудителя.
-
Существуют критические частотные интервалы в точке приложения [нуждающей силы к механической системе резонансного характера при раз-ртке частоты гармонического вибрационного воздействия. Указанные "частот-
6 ные интервалы характеризуются высокой динамичностью изменения амплитуды колебаний.
-
Критические частотные интервалы надежно диагностируются по комплексу взаимных изменений амплитуды и фазы колебаний в точке приложения вынуждающей силы, поскольку еще до наступления критического частотного диапазона происходят существенные изменения этих параметров.
-
Критерием приближения к критическому частотному интервалу комплекса «вибратор - изделие» является определенное сочетание знаков производных амплитудной и фазовой частотных характеристик в процессе развертки частоты вибрационного воздействия и определенная последовательность их изменения.
-
Для обеспечения оптимального (в смысле точности уровня нагружения) управления возбуждением изделия резонансного характера с применением электродинамического вибровозбудителя необходимо обеспечить адаптивность системы управления нагружением. Адаптация осуществляется путем включения в цепь обратной связи корректирующего устройства с адаптацией параметров к изменяющимся условиям испытаний. Основой алгоритма адаптации является предложенный метод динамического диагностирования критических частотных интервалов.
-
Устройство для виброиспытаний. Виброиспытательный комплекс РАНГ.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "Вибрация и диагностика машин и механизмов" (Челябинск, 1990), на семинаре "Вибрационная техника" в МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского (Москва, 1990), на Всесоюзной научно-технической конференции "Микроэлектронные датчики в машиностроении" (Ульяновск, 1990), на Всесоюзном научно-техническом совещании "Совершенствование эксплуатации, технического обслуживания и ремонта техники на основе стандартизации в области технической диагностики и прогрессивных форм эксплуатации, технического обслуживания и ремонта" (Нижний Новгород, 1991), на Научно-технической конференции "Ученые ИМИ - производству" (Ижевск, 1992), на Научно-технической конференции "Ученые ИжГТУ - производству" (Ижевск, 1994), на ГХ, X и XI Всероссийских научно-технических конференциях "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Гурзуф, 1997, 1998,1999), на 2-м Межведомственном научно-практическом семинаре "Проблемы и технологии создания и использования космических систем и комплексов на базе малых КА и орбитальных станций" (Москва, ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, 1998), на Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2000» (Пермь, 111ТУ, 2000), на Международной научно-технической конференции «Испытания материалов и конструкций» (Нижний Новгород, ННГУ, 2000), на семинарах в ФТИ УрО РАН.
Результаты работы были использованы при разработке и вводе в эксплуатацию виброиспытательных комплексов «Вибран-2МР», «ГАРС» (Космический центр им. М.В. Хруничева, г. Москва) и исследовательского комплекса «РАНГ» (ИПМУрОРАН, г.Ижевск).
. ПУБЛИКАЦИИ Основные результаты опубликованы в 22 печатных работах, список которых приведен ниже.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ
