автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Электродинамическое возбуждение разнополярных повторяющихся ударов

РГБ ОА

Национальная АкадемЦя"7Н§}$

Институт проблем машиностроения

На правах рукописи

Уманский Сергей Леонидович

Электродинамическое возбуждение разнополярных повторяющихся ударов

05. 02. 09 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

• ¿>-т

■1

Харьков - 1996

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в отделе надежности и вибрационных испытаний в быстроходных машинах Института проблем машиностроения Национальной АН Украины.

Научный руководитель: чл.-корр. HAH Украины доктор

технических наук, профессор Божко Александр Евгеньевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, ведущий

научный сотрудник Янютин Евгений Григорьевич; канд. технических наук, доцент Пушня Валентин Александрович

Ведущая организация - Государственное предприятие

"Завод ФЭД" Министерства машиностроения и конверсии Украины (Харьков)

Защита состоится " ££ " CX-^tyTÁLA>J\M 1996 г. в 14 часов на заседании Специализированного ученого совета Д 02. 18. 01 в Институте проблем машиностроения HAH Украины в аудитории № 1112, на 11 этаже института по адресу: 310046, Харьков, ул. Пожарского, 2/10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем машиностроения HAH Украины по адресу: 310046, Харьков, ул. Пожарского, 2/10.

Автореферат разослан " " _____ 1996 г.

Ученый секретарь

Специализированного ученого Совета

доктор технических наук Воробьев Ю.С.

Общая характеристика работы

Одной из актуальных задач, стоящих перед разработчиками •ехнических устройств и конструкций, обладающих высокими качественными характеристиками является повышение их надежности и [олговечности. Решение указанной задачи невозможно без проведения »азнообразиых испытаний на сложные механические воздействия, (ажнейшими среди которых являются испытания на ударные нагрузки. Существующие методы испытаний предназначены для воспроизведения гростых форм ударных нагрузок, что является идеализированной юделью реальных ударных и виброударных процессов, зачастую опровождающихся разнополярными интенсивными кратковременными юздействиями с высокой частотой следования. При этом в изделии [сизбежно накопление повреждений усталостного характера.

Существующие технические решения, исследования и разработанные промышленные образцы ударных установок для ¡оспроизведения одиночных и многократных ударных нагрузок юдгвердили целесообразность применения для этих целей лектродинамических вибровозбудителей (ЭДВ), т.к. такие установки ниверсальны и обладают широким частотным диапазоном по равнению с механическими стендами. Однако положенные в их основу пектральные методы формирования ударных нагрузок на практике тличаются сравнительной сложностью, а амплитуда и мощность оспроизводимого импульса ограничиваются незначительным

иапазоном перемещения подвижной части ЭДВ. Недостаточно ффективные методы гашения ударной скорости ограничивают астоту следования ударов.

Поэтому задача разработки моделей и методов воспроизведения [еханических ударов, эквивалентных реальным эксплуатационным и

создание простых систем на базе ЭДВ с расширенным функциональными возможностями является актуальной задачей.

Вопросам создания систем и устройств для исследовани ударной прочности и теории виброударных систем посвящен большое число работ отечественных и зарубежных учены П.М. Алабужева, О.Д. Алимова, В.И. Бабицкого, П.М. Батуевг А.Е. Божко, Я.А. Вибы, В.В. Клюева, А.Е. Кобринского, A.A. КоЕ ринского, В.Н. Ковальского, Я.Г.Пановко, В.С.Пеллинца, B.JI. Рагулг скене, Н.П. Ряшенцева, В.И. Сурина, Я.С. Урецкого, В.П. Шпачук; Ч.И. Крида, А. Ленка, С.М. Харриса и др.

Однако проблемы, связанные с разработкой виброударны систем на базе ЭДВ в настоящий момент практически не изучень Работа выполнена автором в 1993-1995 г.г. в соответствии с научно направленностью отдела надежности и вибрационных испытаний быстроходных машинах ИПМАШ HAH Украины и связана с следующими работами по г/б теме "Создание методов и систе! резонансных виброиспытаний, вибрационного контроля техноло гического состояния элементов энергетических машин и установок (г.р. N 010017872) и х/д темой "Оценка остаточной надежност. приводных цепей 2ПР-50,8-45360 редукторов эскалаторов типа ЭТ-5 (г.р. Ш195У015124).

Цель работы - разработка способов формирования воспроизведения однополярных и разнополярных многократны ударных нагрузок на ЭДВ при испытаниях объектов машиностроения : приборостроения на механические нагрузки, позволяющи осуществлять имитацию реальных виброударных процессог проведение ускоренных испытаний, улучшить воспроизводимост ударных нагрузок.

Для достижения этой цели в диссертации были поставлен! следующие задачи:

- разработка эффективных способов возбуждения ударных нагрузок, позволяющих повысить частоту их следования на ЭДВ;

- разработка системы управления воспроизведением разнополярных повторяющихся ударов по эталонным моделям;

- разработка системы управления воспроизведением импульсных нагрузок, позволяющих повысить точность воспроизведения;

- разработка способов и системы электродинамического возбуждения разнополярных ударов повышенной мощности с помощью упоров-ограничителей.

Методология исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались методы теории механических колебаний и удара, теории автоматического управления, теоре тической механики, методов оптимизации, теории статистики, методы инженерных исследований. Разработка вычислительных алгоритмов и tlx программная реализация проводились на ПЭВМ IBM РС/АТ-286 в :реде операционной системы MS-DOS 5.0 с использованием языка программирования TURBO-BASIC.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

1. Предложены методы формирования и воспроизведения дарных импульсов с апериодическим гашением конечной скорости дара при ограничении на послеударное движение.

2. Разработана и исследована электродинамическая система шспроизведения разнополярных импульсных нагрузок с заданными шшшическими свойствами по модели удара методом обратных задач шнамики.

3. Синтезированы алгоритмы управления и структурные схемы :истемы электродинамического воспроизведения удара с адаптивными ¡войствами для одномассовой и двухмассовой моделей ЭДВ.

4. Разработана и исследована система воспроизведения >азнополярных повторяющихся ударов с помощью упоров-

ограничителей с выбором оптимальных параметров упоров геометрических размеров системы по критерию максимальной величи] ударного импульса.

Теоретическая ценность работы состоит в разработке моделей способа динамической оптимизации систем воспроизведен ударных нагрузок по критерию минимума ошибки ускорения параметрической оптимизации системы по критершо максиму ударного импульса.

Практическая ценность работы состоит в том, что: - системы воспроизведения, построенные на предложенн принципах, позволят исключить пробные испытания и позволя получать ударные импульсы повышенной мощности и скважнос-отличаются простотой технической реализации.

Внедрение результатов работы. Разработана методика и систе диагностики экспериментальной проверки износа внутренн поверхностей элементов приводных цепей методом ударнс нагружения, внедренная на Харьковском Метрополитене в 1995 что позволит продлить сроки эксплуатации приводных цепей ( менее 5 лет).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной рабо докладывались на заседании семинара НТПС "Проблемы вибрационн техники, технологии и надежности" ИПМАШ HAH Украи (Харьков, 1994г.), XI Международном Симпозимуме по динам* виброударных систем (Москва, 1995 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научн работы, в том числе 2 статьи, 1 тезисы докладов. Личный вклад автора состоит в следующем: Основные результаты, изложенные в диссертации, получе автором лично. Соискателем разработан метод гашения конечг ударной скорости, система управления электродинамическим ударн

;тендом с минимизацией ошибки воспроизведения, алгоритмы и 1рограммы исследования динамических свойств системы, моделирование и оптимизация виброударного режима возбуждения эазнополярных импульсов.

Вклад соискателя в работах с соавторами:

- в работе [1] автором разработан способ формирования [Периодического гашения удара на ЭДВ, синтезированы управляющие юздействия.

- в работе [3] предложена модель электродинамической (иброударной установки. Получены соотношения для расчета >птимальных параметров.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит гз введения, пяти глав, списка литературных источников, включающего 13 наименований и приложения. Содержит 123 стр. машинописного екста, 55 рисунков, 8 таблиц, всего 190 стр.

Осповное содержание диссертации

В первой главе дан обзор и критический анализ работ, [освященных проблеме испытаний изделий на ударные нагрузки с юмощью ЭДВ. Результаты, полученные в этих работах позволяют юшать задачу организации и проведения испытаний изделий на удар, •азработки методик, технических средств и систем и методов нализа ударных испытаний. Рассмотрены существующие нормативные ;окументы, в которых регламентированы основные требования к разработке стандартной методики испытаний на многократный удар [о величине пикового ударного ускорения, длительности ударного [мпульса, общему числу ударов в каждом из направлений воздействия. $ качестве основных рекомендуется использовать полусинусоидальную, реугольную и трапецеидальную формы импульса, а частота следования ыбирается такой, чтобы в промежутках между ударами было

обеспечено полное затухание колебаний. Рассмотрены основные тиш ударных установок, построенных на базе ЭДВ, в которых формировани ударного импульса осуществляется на принципе спектральног разложения сигналов: по способу передаточной функции и по способ амплитуд элементарных сигналов. Основным недостатком эти конструкций является повышенная сложность коррекци неравномерности АЧХ вибровозбудителя. Ударные установки, которых в качестве источника энерши применяется заряженна батарея конденсаторов позволяют получать ударный импуль повышенной мощности, а гашение послеударных колебани: осуществляется с помощью обратных связей по скорости, перемещенш или комбинированным способом, что не позволяет оптимальны] образом осуществлять успокоение подвижной системы стенда. И изложенного определены основные задачи, которые сводятся разработке моделей, способов и средств, позволяющих повысить частот следования ударов повышенной точности и мощности пр воспроизведении их на ЭДВ.

Во второй главе рассмотрены основные характеристики ударны нагрузок и проведена их классификация и систематизация. В качеств определяющих признаков приняты: характер внешнего воздействи (силовой, кинематический), направление действия удара (однс полярный, разнополярный), частота повторения (однократньп многократный), форма ударных нагрузок (простая, сложная), вид удар в зависимости от свойств соударяющихся тел (упругий, упругс пластический, пластический), формы ударного импульса (импульсньп безымпульсный). Приведены примеры ударных воздействий в природе технике (табл. 1). Показано, что в связи со сложностью воспроизведет; удара по критерию подобия напряжений, возникающих в зоне контакт соударяющихся тел, воспроизведение удара возможно осуществлять г критерию идентичности перегрузок,

КЛАССИФИКАЦИЯ УДАРНЫХ НАГРУЗОК

__Табл. 1

характер внешнего воздействия направление действия частота повторения ОТ свойств СОУДАРЯЮЩИХСЯ ТЕЛ ФОРМА УДАРНОЙ НАГРУЗКИ ПРИМЕРЫ УДАРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В ПРИРОДЕ И ТЕХНИКЕ

простая (модельная) сложная (реальная)

одно- однократный Упругий a ¡ & В S S С] S и простой с наложением вибрации Соударение тел с различными свойствами

« О 03 полярный многократный виброударный процесс Удары при штамповке, прессовании, уплотнении и др.

О О разно- однократный Упруго-пластический ftíS vo Я а о В 2 2 й 5 S 2 2 простой о наложением вибрации -

полярный многократный Пластический g й S й и 3 „ W я к л о то ^ 33 в g 3 А ей д Е ¡5 Й виброударный процесс Удары во встряхивающихся вибромашинах, кинематических парах механизмов

однократный импульс ударного действия Удары, вызванные падением и опрокидыванием

, « одно-

. КИНЕМА ТИЧЕСКИ полярный многократный импульсный Э з m S © май & скоростной Удары, вызванные при перевозке колесным транспортом

разно- однократный взрывной Подводный взрыв, сейсмическая нагрузка, вибрационная нагрузка

полярный или многократный безымпульсный затухающий переходной процесс Результат воздействия (реакция) или ударный спектр от импульсной нагрузки

а а».

= const

(1)

где: (х^ - максимальная величина местной деформации а . Из обобщенного уравнения упругопластического удара,

Л V л1 а 1 ^ (2)

dt dt'

где: у - скорость движения центров инерции, м

т. mi пъ+тги

приведенная масса соударяющихся тел, а зависимость силы удара р |

на основании гипотезы о зависимости местного смятия от контактного усилия имеет вид а ~Ь\ Р"» получены выражения значения ударной

силы и возникающих при ударе ускорений для тел, обладающих линейной и нелинейной характеристикой пластической деформации. Для линейной деформации ( п=1 )

Р(гН

1

у!м~Ь

¿4=_J_p Vl (М sin_J dt

d Xi. . 2 d t

ttii 1

—-sin .-1 ,

miV b yjMb

v, M . 1

—P =—— -sm . t -

ГПг ТПг\Ь -ЩЬ

(3)

Для нелинейной деформации ( п=1/3 ), f|Mi-ijV2

Р (/) =

4м v;

2b

ch

Vo

VM V»b3

(4)

где: -скорость соударения.

Приведен анализ модели упругопластического удара стержневых элементов конструкций, учитывающей волновые явления вне зоны кон-

такта соударяющихся поверхностей. Ускорение свободного конца стержня в пределах его переднего фронта представляет собой совокупность синусоиды и пилообразного напряжения с периодом Т = - (

где: I - длина стержня, с - скорость распространения волны. Рассмотрены дискретные модели удара абсолютно твердого тела об ограничитель с упруговязкими и вязкоупругими свойствами. Сила сжатия последнего определяется.

п/ч т УоИ> -ал.. ( ГГ~~~2 ^

VI -ос 1

(5)

где: ™ = л а=—с, Ь -коэффициенты жесткости и вязкого

2 л/оп

грения.

Величина ударного импульса с учетом (5)

V J (6)

л ц

где: Г, а - время удара. График функции -= На)

'41 ~сх ту с

приведен на рис. 1. Максимальное значение ударного импульса достигается при коэффициенте вязкости Ь-> ^, что соответствует модели удара об абсолютно упругий ограничитель.

В третьей главе разработаны математические модели и принципы построения систем электродинамического программного воспроизведения однократных и многократных ударных нагрузок. Получены модели формирования удара с гашением конечной ударной скорости за минимальное время с учетом ограничений на послеударное ускорение \Щ 2 5А

X (0=д:т+-Т1) : Т1-/ ^

где: Хх,, хт, - соответственно конечная скорость и перемещение /д арного импульса, А - максимальное ускорение ударного импульса, "рафики ускорения, скорости и перемещения приведены на рис. 2. получены расчетные значения времени на каждом из интервалов (вижения и полное время ударного цикла

Методом обратных задач динамики синтезирован алгоритм ^правления и структурная схема системы воспроизведения удара по юделя ЭДВ и модели удара в виде дифференциального уравнения с юмощыо обратных связей по фазовым координатам системы

:оэффициенты дифференциальных уравнений модели ЭДВ и модели дара, /3 - амплитуда сигнала задания g(t) в виде ступенчатой функции ремени. Разработана система воспроизведения разнополярных говторяющихся ударов с оптимальным гашением в соответствии с ис. 2. Блок-схема системы приведена на рис. 3, где: УМ - усилитель ющности, ВП - вибропреобразователь, ИН1, ИН2 - интеграторы, УС -силитель-сумматор, К1-115 - резисторы, обеспечивающие формиро-ание коэффициентов усиления сигналов обратных связей по фазовым ©ординатам, Кб, 117 - резисторы, обеспечивающие уровень ступен-атого сигнала задания положительной и отрицательной полярности. Система обеспечивает воспроизведение каждого ударного импульса с :ериодом (8). Исследование структурной схемы замкнутой системы на араметрическую чувствительность, где в качестве комплексных араметров приняты коэффициенты дифференциального уравнения

(8)

ЪХ

(9)

где: - напряжение на подвижной катушке ЭДВ, а„< 0С„ -

модели ЭДВ аа> йх' а2 осуществлялось с помощью функци:

чувствительности Х}}-£

ду> оа]

и =

А Тг

Л

ж тс к . ж

1-С05———вт—г Т1 2Т1 ¿Т, Т1

(10)

и =

А т,

а 2тт

. ж к к

БШ—г--/сое—?

Т)

, т, 2т,

/7 = —

27ГА Т,

Графики функций чувствительности по выходу системь воспроизведения ударного импульса полусинусоидальной формь приведены на рис. 4.

В четвертой главе решается задача повышения точност! воспроизведения ударного импульса. Синтез замкнутой системь воспроизведения для одномассовой модели ЭДВ с определение» оптимального закона управления осуществляется по критерию

<?=(х*~х ) = т1п-

(11)

где: х, х - измеряемое (действительное) и заданное (эталонное ускорение ударного импульса. Синтез оптимального управленш осуществлен по принципу управления силой и напряжением 1 соответствии с градиентным методом движения к экстремум; (минимуму). Для управления по принципу напряжения ,. ¿и _ д дС

' "л ~ йГ (12)

Из (11), (12) закон формирования управляющего напряжения н; подвижной катушке ЭДВ

ñí

h-ft* I

í>-L íw

пг-

яз

m

W

к,2

'HZb^

■-C

Я5

«7

5)

M

Кл5

TI

Кл6

Ка7

т

Кд8 "С

— Иэ9 —

Из

уо

+ к-ц

Щ

И*

И/

¡1t2

Tic

Y

4X

ЛЭ,

ГГа

■к J

пэг

и2

но

Рис. 3

где: К - коэффициент усиления в контуре старшей производив Структурная схема оптимальной системы воспроизведения с законе управления (13) приведена на рис. 5. Передаточная функция I перемещению стола ЭДВ

цг (р) = ----Ь°К ^--:_.

р +{а+ЫК)р Цеь+Ыо^р +{ас+Ь0К а^р +ЫК а.

При К-> =-=> динамические свойства замкнутой системы повторяв динамические свойства модели удара, ошибка воспроизведения пр нестабильности конструктивных параметров стремится к нулю, устойчивость системы определяется устойчиво стью дифференциально] уравнения эталонной модели удара

х+а-л +ахх +о(оХ (0.

Где; ОС» _ коэффициенты дифференциального уравнения удара.

На рис. 6 приведены функции чувствительности и ошибк

воспроизведения при К1=Ю , К2=Ю 5 КЗ=Ю для системы вое произведения с ЭДВ ВЭДС-10А. По сравнению с графиками (рис. ^ функции чувствительности (рис.6) для КЗ на четыре порядка ниже. Дл двухмассовой модели ЭДВ синтезирована структурная схема, которс имеет аналогичные динамические свойства как одномассовая, чт позволяет существенно скомпенсировать нелинейности ЭДВ.

В пятой главе рассматриваются задачи разработки и исследоваш: устройств на базе ЭДВ для получения разнополярных повторяющихс ударов повышенной мощности, в конструкции которых предусмотрен использование упоров - ограничителей и способ практическо реализации метода ударного нагружения. Приведена модель рассмотрен механизм удара стола ЭДВ об упругий ограничител Произведен расчет программной траектории разгона и торможепи: получены выражения для необходимого расположения упоро)

Рис. 5

ограничителей, доударной скорости, периода виброударного движенш и максимально возможной амплитуды ударного ускорения

хвгхэг™^^^

К, 2 (16)

где: К, - жесткость подвеса стола ЭДВ, г - заданное время удара Синтезированы управляющие сигналы и разработана структурная схемг программно-логического управления воспроизведением удара (рис. 7) работающая в автоколебательном режиме.

Разработано устройство для возбуждения разнополярньс повторяющихся ударных импульсов, в котором источником энергш является заряженная батарея конденсаторов (рис.8). Устройстве управления создает режим попеременного заряда от источника питанш и разряда накопленной энергии на подвижную катушку ЭДВ дву; батарей конденсаторов. При этом осуществляется генеращи разнополярных ударных импульсов с повышенной мощностью \ частотой следования.

Разработана методика и устройство для экспериментально! проверки износа внутренних поверхностей элементов приводных цепе; без их разборки методом ударного нагружения. При подаче импульс; напряжения прямоугольной формы с заданными параметрами на вхо; замкнутой системы с ЭДВ достигается расчетная скорость удара боша по ролику. Величина зазора между роликом и валиком определяется

_1 2

ХР~ Х.ай.1 ^ (17)

где: X» - начальная скорость ролика после соударения; Л ? - интер вал времени между соударениями бойка по ролику и ролика по валику

Рис. 8

Для экспериментальной проверки приведенной методики бы использован элемент приводной цепи 2ПР-50,8-45360, который жестк закреплялся на стойке таким образом, чтобы центр ролика совпадал направлением движения бойка, связанного с ЭДВ. Определение зазор по (17) после проведения повторных опытов дало величину средне

относительной погрешности измерения 8 = 2,85%, что позволил сделать вывод о достаточной эффективности разработанного метода.

Основные результаты и выводы

1. Разработаны математические модели и способы эффективное гашения конечной ударной скорости при воспроизведении импульсны нагрузок на ЭДВ за минимальное время.

2. Разработаны способы синтеза электродинамических систег управления воспроизведением разнополярных ударных нагрузок ш моделям удара, заданных в виде дифференциальных уравнений ] параметрических зависимостей и изучено влияние нестабильносп параметров на величину ошибки воспроизведения.

3. Предложен способ исключения влияния нестабильноеп конструктивных параметров стенда на его динамику и разработан; система управления, позволяющая существенно повысить точносп воспроизведения ударных нагрузок на ЭДВ.

4. Анализ математических моделей удара об упругий ограничитед] позволил произвести расчет оптимальных параметров и синтезировав систему воспроизведения ударов повышенной мощности с цельк получения максимального ударного импульса.

5. Разработана оптимальная система электродинамическою вое произведения разнополярных ударных импульсов с помощью упруги: упоров ограничителей.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах 1. Божко А.Е., Уманский С.Л. О воспроизведении упругого удар;

электродинамическим вибровозбудителем./ Доп. НАН Украши.-1995.-N 8.-.С. 44-47

2. Уманский С.Л. Математическое моделирование электродинамического воспроизведения удара // Математическое и компьютерное моделирование в машиностроении- Киев: Ин-т кибернетики им. В.М. Глушкова, 1994,- С. 27-35.

3. Божко А.Е., Шпачук В.П., Уманский С.Л. Принципы построения систем электродинамического воспроизведения разнополярных ударов на электродинамических вибростендах: Тез. докл. XI международного симпозиума по динамике виброударных систем, М.Звенигород, окт. 1995 г., С.9-10.

Summary

Umanskiy S.L. Electrodynamic reproduction of different polar and repeating shocks. This present thesis is a manuscript to complete for earning a candidate of technical science, the speciality: 05.02.09 - dynamics and durability of machines, devices and apparatus. Institute for Problem in Machinery of the Ukrainian National Academy of Science, Kharkov, 1995. 3 scientific works, contained theoretical researches on elaborate control systems of reproduction different polar and repeating shocks on the electrodynamic vibro machines for test of manufactured articles are synthesed with method of inverse problems of dynamic with acceleration control, allow to get improve reproduction repeting shocks with limited per, missible frequency and artifical increase of power shock s are defended. The efficiency of theory has been confirmed by solution of a practical problem.

Аннотация

Уманский C.JI. Электродинамическое возбуждение разнополярных повторяющихся ударов. Диссертация является рукописью на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности:

05.02.09 - динамика и прочность машин, приборов и аппаратуры Институт проблем машиностроения HAH Украины, Харьков, 1996 Защищаются 3 научные работы, которые содержат теоретические исследования по разработке систем управления воспроизведениел разнополярных повторяющихся ударных импульсов на электродинамических вибростендах для испытания изделий, синтезированньп по методу обратных задач динамики в сочетании с принципам!: управления по ускорению. Это позволяет получать улучшеннук воспроизводимость многократных ударных импульсов с предельно допустимой частотой следования и с искусственно увеличенно£ мощностью удара. Эффективность теоретических положен» подтверждается решением практической задачи.

Ключевые слова: электродинамический вибровозбудитель, системе управления, виброударный режим.