автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Исследование вибрационных процессов электромеханических систем в одновременной амплитудной и частотной модуляцией

РГВ од

- 9 ЯНЯ 7ПГ

На правах рукописи УДК 621.822-752.3

ЕРШОВ ДМИТРИЙ ЮРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ОДНОВРЕМЕННОЙ АМПЛИТУДНОЙ И ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Специальность 05.02.18 - Теория механизмов и машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург 2000

/

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения.

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, действительный член Академии технологических наук, доктор технических наук, профессор Явленский К.Н.

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцекг Соколов Ю.Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Тимофеев Б.П.

кандидат технических наук, доцент Скороходов А. А.

Ведущее предприятие:

НИИ точной механики

Защита диссертации состоится .............. 2000 г. на

заседании специализированного Совета Д.053.26.03 в Санкт - Петербургском государственном институте точной механики и оптики по адресу: 197101, Санкт -Петербург, ул. Саблинская, д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан............. 2000 г.

Ученый секретарь специализированного кандидат технических наук, доцент

Ю.П. Кузьмин

И1/49. $

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные тенденции проектирования сложных многороторных электромеханических систем связаны с решением двух основных задач, а именно обеспечение надежности функционирования их в заданных условиях эксплуатации и повышения ресурса их работы. Решение указанных задач осуществляется за счет использование оригинальных конструкторско-технологических методов построения структуры системы, соответствующих технологических процессов изготовления ее элементов и их сборки с использованием перспективных технологий и материалов. В настоящее время существует достаточно большое количество методов, способов и методик технической диагностики, которые позволяют решать задачи контроля текущего технического состояния различных видов промышленных изделий и устанавливать моменты зарождения и развития дефектов в их элементах.

В используемой на предприятиях практике технического контроля существенное значение приобретает диагностика качества функционирования электромеханических систем, которая базируется на основе разработашшх диагностических моделей и на основании диагностических критериев, выбираемых для оценки технического состояния системы.

В настоящее время существует небольшое количество работ, которые посвящены изучению причин развития неравномерности износа поверхностей контакта элементов вращения электромеханических систем. В работе Блохина И.Ю. Результаты периодических испытаний редукторов Ц2-350, Ц2-500 (Тезисы доклада Международной научно-практической конференции по проблеме обеспечения надежности и качества зубчатых передач "Зубчатые передачи - 96", ЕГТУ, С-Пб, 17-20 шоня, 1996, с. 17-18.) приведены результаты экспериментальных исследований неравномерности износа зубьев зубчатого колеса. Показано, что разница замеров диаметра окружности выступов зубчатого колеса в процессе работы изделия изменяется в 5 раз. В связи с этим весьма актуальной в настоящее время возникает проблема исследования раскрытия физическом природы причин возникновения неравномерности износа поверхностей контакта элементов электромеханических систем и установления взаимосвязей возмущающих факторов, которая позволяет существенно влиять на характеристики неравномерности износа.

Существенный недостаток всех используемых методов и способов диагностирования технического состояния контролируемой системы и дефектоскопического анализа ее элементов состоит в том, что осуществляется диагностирование уже появившихся дефектов, а не диагностирование условий их возникновения. Большое количество* .методов

и способов диагностирования технического состояния многороторных электромеханических систем основывается на изучении в них колебательных процессов. Поэтому разработка нового метода диагностирования технического состояния электромеханических систем, позволяющего оценивать влияние технологических погрешностей изготовления и сборки элементов системы, влияние неуравновешенности вращающихся масс системы на неравномерность износа, является в настоящее время является своевременной и агауальной.

Цель работы Основной целью представляемой к защите диссертационной работы является выявление физической природы и раскрытие причин возникновения возмущающих факторов и условий формирования неравномерности износа поверхностей контакта элементов вращенш многороторных электромеханических систем на начальном этапе е( эксплуатации, а также разработка нового метода диагностирован!« технического состояния в процессе проектирования и приемо-сдаточиьс испытаний многороторной электромеханической системы.

Для достижения поставленной иели необходимо решить следующш задачи:

1.Теоретическое исследование физической природы возмущаю щи: воздействий в элементах электромеханических систем приборов. Раскрыли основных причин, вызывающих неравномерность износа поверхностей контакт элементов вращения систем.

2.Теоретическое исследование возможностей снижения уровн виброакгивности многороторных механических и электромеханических систе: на основе проведения крупномасштабного • машинного эксперимент, учитывающего объемно-пространственную структуру контролируемог изделия, соотношение частот вращения роторов, передаточных чисел зубчаты и ременных передач, амплитудных значений гармоник и фазовых сдвигов межд ними для работы отдельного привода и совместной работы нескольки приводов.

3.Проведение математического моделирования динамических процессс вибрации с предварительным выбором диагностических критериев до определения контролируемого технического состояния элекгромеханическс системы благоприятно влияющего на равномерность износа поверхносте контакта элементов вращения.

4.Разработка условий исключения возникновения совместной амплитудной частотной модуляции суммарного возмущающего воздействия, являющего' основной причиной возникновения неравномерности износа поверхносп контакта элементов вращения системы и локальных дефектов, и, как следстви внезапных отказов изделия в процессе его эксплуатации.

5.Разработка методологических рекомендаций для обеспечения наибольшей равномерности износа поверхностей контакта элементов вращения электромеханических систем на основе проведения крупномасштабного машинного эксперимента по экспериментальным характеристикам контролируемого изделия и последующей коррекции эксплуатационных характеристик системы за счет конструкторско-технологических решений по доводке изделия в условиях производства.

Научная новизна Научная новизна работы состоит в том, что в ходе выполнения исследования впервые показано, что основной причиной неравномерности износа поверхностей контакта элементов вращения электромеханических систем является наличие одновременной амплитудной и частотной модуляции суммарного воздействия, которое обусловлено в основном такими возмущающими факторами, как неуравновешенность вращающихся масс роторов системы и технологическими погрешностями изготовления и сборки деталей системы. Предложен новый метод диагностирования технического состояния электромеханической системы, позволяющий управлять развитием динамического процесса системы за счет конструкторско-технологических решений при доводке изделия в процессе производства - фиксирования определенным образом положения неуравновешенных масс элементов вращения системы.

Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в том, что:

построение и реализация крупномасштабного машинного эксперимента позволяет оценить влияние конструктивных и технологических параметров элементов электромеханических систем на виброактивность системы и ожидаемый характер форм износа контактирующих поверхностей ее элементов;

проведение математического моделирования технического состояния системы дает возможность выявить оптимальное техническое состояние системы, с точки зрения неравномерности износа элементов вращения, и, следовательно, добиться существенного увеличения ресурса работы изделия;

раскрываются условия формирования внезапных отказов при наличии концентрации воздействий во времени на отдельных участках контактирующих поверхностей элементов вращения системы.

Результаты исследования могут быть использованы в различных областях приборостроения н машиностроения.

Апробация работы Основные положения и результаты проведенных исследований были доложены и обсуждены на международной научно-практической конференции по проблеме обеспечения надежности и

качества зубчатых передач "Зубчатые передачи - 98" "Gear transmission" ( Санкт-Петербург, БГТУ, 1998 г.), на первой научной сессии аспирантов (12 - 1 апреля 1998 г., СПб, СПГУАП, 1998 г.), на второй научной сессии аспирантов (1 - 16 апреля 1999 г., СПб, СПГУАП, 1999 г.), на третьей научной сесси аспирантов (10-15 апреля 2000 г., СПб, СПГУАП, 2000 г.), на Всероссийскс научно-технической конференции "Перспективные материалы, технолога конструкции - 99", Красноярск, НИИ СУВПТ, на Международной научн< технической конференции "Диагностика, информатика, метрология, экологи безопасность - 97", СПб, БГТУ, 1999, на 4-ой Всероссийской научи практической конференции с международным участием "Новое в экологии безопасности жизнедеятельности", (16 - 18 июня), ГТУ, СПб, 1999.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 1 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введени пяти глав, заключения, списка использованных источников из 117 наименоваш и 6 приложений на /.?.. страницах. Общий объем диссертации составляет страниц, включая /.-f/. страниц машинописного текста, рисунков на .■< страницах и .?... таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель исследованк раскрыты научная новизна и практическая значимость полученных результате дана краткая характеристика разделов, определена область применен: полученных результатов.

В первой главе приводиться обзор современных методов и средс диагностирования многороторных электромеханических систем. Проведен анал работ, посвященных методам вибродиагностики и неразрушающего контро; При диагностировании многороторных электромеханических систем ведуш место занимают методы вибродиагностики.

Проведенный обзор литературы показал, что в технической литерату отсутствуют теоретические исследования о причинах возникновен неравномерности износа поверхностей контакта элементов вращен многороторных электромеханических систем, которые связаны с наличи внутренних остаточных напряжений, технологических погрешностей остаточного дисбаланса в отдельных ее элементах.

Анализ работ, посвященных вибродиагностики, показал, что наибо; перспективным направлением является диагностирование условий формирован неравномерности износа контактирующих поверхностей элементов вращен многороторных электромеханических систем.

Существующие методы и средства диагностирования многороторк электромеханических систем не позволяют контролировать услов;

формирования неравномерности износа контактирующих поверхностен и различать технологические погрешности с локальной структурой при производстве изделий.

Разработка метода контроля технического состояния многороторной электромеханической системы на этапе приемо-сдаточных испытаний позволит решить проблему предотвращения внезапных отказов системы при ее эксплуатации.

Проведенные исследования и анализ многолетних данных об отказах изделий показали, что к внезапным и постепенным отказам электромеханической системы приводят неравномерность износа ее элементов вращения, локальные дефекты и технологические погрешности изготовления и сборки наиболее ответственных элементов многороторной системы.

Также в первой главе определена цель исследования и сделана постановка задач исследования.

Во второй главе рассматривается положение электромеханической системы как твердого тела в пространстве. Описываются основные причины возникновения возмущающих воздействий в электромеханической системе, влияющие на ее виброактивность, такие как неуравновешенность вращающихся масс роторов системы (дисбаланс), технологические погрешности изготовления элементов системы и зарождение локальных дефектов в элементах системы.

Установлено, что общий элемент любой многороторной электромеханической системы - основание совершает в пространстве и во времени сложное движение за счет своих упругих связей (амортизаторов и элементов крепления). Движение основания осуществляется за счет вибрационного воздействия элементов системы, установленных на основании. Проекции суммарного вектора возмущающих факторов РХ1, Р^, Р^, с учетом поворота осей координат ХоУА вокруг своей оси на углы а, р, у соответственно, будут определяться следующими выражениями: ^С^+Ь^-Цу),

Р^СДУ-Ь.а + Ьл), • (1)

Р^С^ + Ца-Ь^).

где Сх1, Су,;, Сд - жесткости элемента электромеханической системы в направлении осей координат Хо, Уо, соответственно; X, У, Ъ - перемещения (координаты) центра тяжести основания электромеханической системы.

Механические моменты, действующие на центр тяжести основания -электромеханической системы определяются с использованием метода кинетостатики по известным выражениям:

М„

Ч, -гл., (2)

м, -ЪЦ.

где ЬХ1, Ц.„ Ьа - абсолютные координаты системы, определяющие положение центра тяжести основания, относительно начала координат - точки О.

Выражения для механических моментов, действующих на центр тяжести основания электромеханической системы, с учетом угловых колебаний системы можно записать в виде следующих выражений:

М-С^Дх+Ь.р-Ь^-СЛЛг+^а-Ь.Р), (3)

Так как вибрационное воздействие обычно распространяется в какой-либо из плоскостей, то поэтому принимается, что в настоящей диссертационной работе будет рассматриваться не объемная структура формирования вибрационного воздействия, а плоскостная.

Поскольку поступательное движение, оказывает на порядок большее влияние на виброактивность системы, чем вращательное, то в диссертационной работе будет рассмотрено в дальнейшем только поступательное движение основания электромеханической системы, не принимая во внимание вращательное и угловое перемещение.

Вибрационное воздействие при поступательном движении основания электромеханической системы может иметь ■ четыре вида различных составляющих:

1.постоянные составляющие (вес элементов системы);

2.гармонические составляющие (технологические погрешности);

3.случайные составляющие;

4.дискретные воздействия во времени (локальные дефекты).

Установлено, что одной из основных причин низкочастотной вибрации

является неуравновешенность вращающихся масс элементов системы. В данной диссертационной работе будет рассмотрена статическая неуравновешенность вращающихся масс роторов механизма

Отмечено, что следующими по значимости факторами, влияющими ш виброактивность электромеханической системы, являются технологические погрешности изготовления элементов системы, технологические погрешноста сборки всей системы и контактные напряжения, возникающие при выполнение различных операций технологического процесса изготовления деталей системы.

Выявлены причины и условия формирования локальных дефектов в элементах электромеханической системы и неравномерности износа контактирующих поверхностей ее элементов вращения.

Таким образом, суммарное возмущающее воздействие можно определить из следующего выражения:

р(ф) = ¿Р, + ¿Р, 51п((ф + Дф,)*!^! - соб(]Ф - (4)

1.1 ¡=2 ,= ч

к

где составляющие выражения (4) - ]Гр, описывают дисбаланс

1=1

электромеханической системы и ее неуравновешенность вращающихся масс;

п

^^Бт^ф + Дф^ - технологические погрешности изготовления деталей 1.2

электромеханической системы и другие технологические погрешности; Р^¡1 - соя(¡ф - ] Аф,)] - условия возникновения локальных дефектов; Дф; -

начальная фаза 1 - ой гармоники; 1, j — номера гармоник; ф=2лй, f - опорная частота вращения, 1 - время. В качестве опорной частоты вращения следует выбирать наименьшую частоту вращения в совокупности элементов системы или кратную частоте вращения всех рассматриваемых элементов;

Раскрыта и показана физическая природа основных возмущающих факторов, влияющих на развитие динамического процесса и вибрационное состояние многороторной электромеханической системы. Определена область применения электромеханических систем, которые могут быть подвергнуты контролированию их технического состояния с помощью предлагаемого нового метода диагностирования.

В третьей главе описывается характер изменения суммарного возмущающего воздействия в плоскости в зависимости от направления вращения роторов электромеханической системы, рассматривается влияние передаточного числа механизма, влияние соотношения амплитуд возмущающих факторов на примере одного привода. Для анализа качества функционирования электромеханической системы вводится в качестве основной характеристики - фазовый портрет суммарного возмущающего воздействия, описывающий развитие динамического процесса в приводе.

Рассмотрен характер изменения суммарного воздействия возмущающих факторов на примере работы одного механического привода. Выбрана основная характеристика, описывающая развитие динамического процесса в приводе, это фазовый портрет вектора суммарного возмущающего воздействия.

Фазовые портреты вектора суммарного возмущающего воздействия да однонаправленного и разнонаправленного вращения элементов привод представлены на рис. 1.

Амплитуду суммарного возмущающего воздействия F„ или его скалярнс значение, можно определить из следующего выражения:

Fr = ^T+Ff. (5)

где Fx и Fy - гармонические составляющие суммарного воздействия по ося симметрии основания электромеханической системы X и Y соответственно

Угол ф,, характеризующий направление вращения вектора суммарно! Еозмущающего воздействия Fr, отсчитываемый от направления оси Ч определяется следующим выражением: F

ф, =arctg-^ (6)

Гармонические воздействия по осям симметрии контролируемого изделия X и для привода при равных амплитудах суммируемых гармоник можно представить следующем виде:

... . „ . . n+m n-m

F, (ф) = A(sin пф + cos пир) = 2 A sm —-— ф cos —-— ф

F, (ф) = A(cos пф + cos пкр) = 2A cos фcos ° ф (7)

где А - амплитуда составляющих суммарного возмущающего воздействия Fx(< и F^) по осям координат симметрии контролируемого изделия, пит- низшая высшая гармоники ведущего и ведомого элементов вращения соответственно.

Сделан анализ влияния направления вращения роторов электромеханически системы на неравномерность износа контактирующих поверхностей ее элементе Введены вспомогательная характеристика, определяющая отклонение фор.\ фазового портрета суммарного воздействия от окружности радиусом, равнь величине скаляра вектора суммарного воздействия, и параметр, определяют неравномерность износа в элементах привода и возникновение локального дефек поверхности контакта элементов вращения.

Неравномерность износа поверхностей контакта элементов вращен электромеханической системы можно определить из выражения:

■ AR + AR,

у =-5-i-*100% -. - . (8) „'

2R.

Рис. I. Фазовые портреты вектора суммарного возмущающего воздействия в фазовой плоскости при п=1, ш=3, А=1:

а) для однонаправленного вращения роторов;

б) для разнонаправленного вращения роторов.

Отклонения от окружности ДЯХ и ДИу, будут определяться следующим образом

дя^к-11»!

ДЯ, = К "Ь1 (9)

где а и Ь полуоси эллипса полученного фазового портрета соответственно осе ХнУ.

Как показали исследования, проведенные на кафедре технической механик] неравномерность износа поверхностей контакта элементов вращения привода пр однонаправленном вращении составляет порядка 5... 10%.

Введем параметр К„д, определяющий неравномерность износа поверхносте контакта элементов вращения и возникновение локального дефекта на поверхност контакта элемента вращения привода следующим образом:

К = — *100% (10)

Исследования, проведенные на кафедре технической механики показали, Ч1 параметр Кта может принимать значения от 0 до 20%. В электромеханически системах с разнонаправленным вращением роторов при меньших значения параметра Кад имеет место большая вероятность возникновения локального дефею поверхности контакта элемента вращения.

На рис.2.а представлена характеристика, определяющая отклонение форм фазового портрета от окружности, на рис.2.б представлена характеристик обуславливающая область появления локального дефекта.

Раскрыто влияние любого передаточного числа механизма, состоящего из дв} элементов вращения, на развитие динамического процесса в системе. Рассмотрен системы с однонаправленным и разнонаправленным вращением роторов. Ь основании фазовых портретов суммарного воздействия получены основнь закономерности для

выявления условий формирования неравномерности износа контактирующих поверхностей и локальных дефектов элементов системы.

Рис.2. Вспомогательные характеристики:

а) определяющая отклонение фазового портрета суммарного воздействия от окружности;

б) определяющая область возникновения локального дефекта.

Установлено, что в механическом приводе, имеющем единичные (равные) амплитуды возмущающих факторов, имеет место наличке только амплитудной модуляции суммарного воздействия.

Рассмотрено влияние соотношений амплитуд возмущающих факторов в приводе на неравномерность износа элементов вращения. Выведены основные теоретические зависимости и выражения для определения основных характеристик динамического процесса системы.

В обычном механическом приводе, сигналы Рх(ф) и Ру(<р), снимаемые с датчиков вибрации контролируемого изделия по осям координат X и У его симметрии соответственно, будут иметь следующий вид:

Рх(ф)=А5НЦ1ф+В5ШПф

Ру(ф)=АС08Пф+Вс08Шф, (11)

где А и В - амплитуды возмущающего воздействия ведущего и ведомого элементов вращения соответственно; п и пг - низкая и высокая

х

гармоники элементов вращения соответственно; <р=2лй, где { • минимальна) частота вращения элементов привода, I - время.

Введена дифференциальная характеристика динамического процесса системы ■ изменение скорости вращения вектора суммарного воздействия в фазово! плоскости, которая имеет следующий вид:

возмущающего воздействия Р^ср) имеет переменный характер. Следовательно, ] электромеханических системах с различными амплитудами возмущаю щи: воздействий имеет место влияние одновременной амплитудной и частотно] модуляции суммарного возмущающего воздействия на развитие динамическоп процесса в системе.

Показано, что при различных значениях амплитуд возмущающих факгоро имеет место одновременная амплитудная и частотная модуляция суммарное воздействия, так как она обусловлена характером скорости вращения вектор суммарного воздействия.

Ввиду того, что получаемые выражения при различных значениях амилигу, возмущающих факторов являются очень громоздкими и практически н применимыми к инженерным расчетам рекомендован переход к математическом моделированию технического состояштя системы с использование: микропроцессорной техники и ПЭВМ.

В четвертой главе рассматривается характер изменения суммарног возмущающего воздействия в плоскости для совместной работы двух механически приводов.

В общем случае составляющие суммарного воздействия Рх(ф) и Ру(ср) по ося! симметрии контролируемого изделия X и У соответственно для совместной работ] двух приводов можно записать следующими выражениями:

Рх(ф)= Азшпф + Взттф+Смпкф + Озтс^ф

Р„(ф)= АсоБПф + Всозтф+Ссозкф + Оа^ф (13)

(12)

р,Чф)

С1ф

Как видно из выражения (12), скорость вращения ф.(ф) вектора суммарной

где n, m, к, q - соответствзтощие гармоники частот вращения элементов риводов электромеханической системы; А, В, С, D - амплитудные значения эзмущающих факторов.

Описываются условия сохранения амплитудной модуляции и условия озникновения совместной амплитудной и частотной модуляции суммарного озмущающега . воздействия при одновременной работе двух механических риводов, состоящих из четырех элементов вращения.

Неблагоприятные контролируемые технические состояния лектромеханической системы формируются в большей степени от характера вменения ф,(ср), и особенно при смене ее знака. Остановки вектора суммарного

¡озмущающего воздействия F (ср) на отдельных участках поверхностен контакта аеменгов вращения электромеханической системы с одной стороны приводят к гавинообразным процессам формирования и развития локальных дефектов, а с фугой стороны являются основными причинами неравномерности износа товерхиостей элементов й внезапных отказов всей системы в целом. Поэтому для систематизации контролируемых технических состояний электромеханической системы можно выделить следующие основные их виды:

3 амплитудная модуляция суммарного воздействия F (ср) при Ф,(ф) = const;

3 совместная амплитудная и частотная модуляция суммарного воздействия Рг(Ф) при Ф,(ф)>0 ;

0 совместная амплитудная и частотная модуляция суммарного воздействия F (ф) при ф,(ф), имеющий периодический характер, близкий к гармоническому;

¡3 совместная амплитудная и частотная модуляция суммарного воздействия Fr (ф) при ф, (ф), меняющий знак при незначительных областях другого знака, при малых значениях амплитуды F (ср);

И совместная амплитудная и частотная модуляция суммарного воздействия F, (ф) при Ф„(ф), меняющий знак при незначительных областях другого знака, при максимальных значениях амплитуды ?г(ф);

В совместная амплитудная и частотная модуляция суммарного воздействия F (ф) при ф,(ф), меняющий неоднократно знак, при малых значениях амплитуды

Ш;

И совместная амплитудная и частотная модуляция суммарного воздействия Ё (ф) при ф, (ф), меняющий неоднократно знак, при максимальных значениях амплитуды Р,(ф).

Разработаны дифференциальные и интегральные характеристики динамического процесса для оценки качества контролируемого технического состояния электромеханической системы и для последующего математического моделирования при различных амплитудах возмущающих воздействий элементов приводов. Интегральной характеристикой динамического процесса системы является фазовый портрет изменения скорости вращения вектора суммарного воздействия в фазовой плоскости. Некоторые виды которого представлены на рис.3.

Приведены результаты предварительного машинного эксперимента для оценки контролируемого технического состояния электромеханической системы.

Определены условия сохранения амплитудной модуляции суммарного воздействия на основе характера дифференциальной характеристики динамического процесса системы - изменение скорости вращения вектора суммарного воздействия в фазовой плоскости.

Показаны условия возникновения совместной амплитудной и частотной модуляции суммарного воздействия на примере многообразия видов дифференциальной характеристики динамического процесса системы Некоторые виды динамической характеристики представлены на рис. 4.

Теоретические исследования работы двух ■ приводов показывают, что существует бесчисленное множество разнообразных технических состояний электромеханической системы в зависимости от соотношений амплитуд возмущающих факторов и их фазовых сдвигов.

Большое влияние на неравномерность износа контактирующих поверхностей элементов вращения системы оказывают соотношения частот и сочетаний фазовых сдвигов положений смещения центров масс ее роторов. Некоторые виды фазовых портретов суммарного воздействия представлены на рис.5.

Предложенная интегральная характеристика - фазовый портрет скорости шггегрального износа позволяет наглядно определить места концентраций воздействий возмущающих факторов на поверхностях элементов вращения системы.

Полученные результаты теоретических исследований являются основой для выработки диагностических критериев, с помощью которых можно провести диагностирование технического состояния многороторной электромеханической системы.

Рис.3, Виды фазовых портретов скорости интегрального износа поверхностей контакта элементов вращения системы

д

4(0

.-0.5-

0.6

0 2 4 6 8

Д Г Л.2&

Рис. 4. Графики зависимости изменения скорости вращения вектора суммарно воздействия:

0.2

В пятой главе проводится обоснование и выбор диагностических критериев / оценки контролируемого технического состояния электромеханических сисл приборов. В качестве диагностических критериев используются следующ характер изменения скорости вращения вектора суммарного возмущающ воздействия, характер изменения скаляра вектора возмущающего воздействи: полярных координатах, то есть фазовый портрет суммарного воздействия фазовый портрет интегрального износа контактирующих поверхностей элсмен вращения в этих системах приборов.

Характер изменения скорости вращения вектора суммарного воздействия мо? представить в виде следующего выражения:

1

• аф

ак^

с!ф

1 +

л(ф).

(14)

аф аф

dф

dф

(ф)

. - РЛФ) ~ РДФ)

где Рх(ф) и Ру(ф) - составляющие суммарного возмущающего воздействия I по осям симметрии контролируемого изделия X и У соответственно, которые с очередь определяются следующими выражениями:

рх(ф) = 1>1 собОФ + АФО

л

ру(ф) = Ел.5П1(1Ф+лФ,)

(15)

где А; - амплитуда 1 - ой гармоники суммарного воздействия; Дф; - начал: фаза 1 - ой гармоники.

Суммарное возмущающее воздействие определяется следующим выражение

Ш-^М+Щр) об)

Угол поворота фЕ(ф) вектора суммарного возмущающего воздействия в фа: плоскости можно записать в следующем виде:

1 \ р(ф) фДф) = агая-у

ЧЫ

(17)

Таким образом, из выражения (14) видно, что характер изменения ско вращения вектора суммарного возмущающего воздействия является не посто) величиной. При выборе сворачиваемых функций

=1

возмущающих воздействий Рх(ф) и Ру(ф) по осям симметрии контролируемого изделия скорость вращения вектора суммарного возмущающего воздействия становится величиной постоянной. Это справедливо для простейшего привода, состоящего из двух элементов вращения.

Износ контактирующих поверхностей элементов вращения можно определить с помощью следующего выражения:

Ь(ф) = 1Рг(ф)Д1 (18)

где Ь - изменение радиуса или другого параметра контактирующей поверхности; I - интенсивность износа, которая на практике определяется на основе экспериментальных данных; р, - сила возмущающего воздействия в точке контакта элементов вращения; Дг - время действия возмущающей силы.

Интенсивность износа элементов вращения 1 на длительном временном участке эксплуатации, как правило, считается величиной постоянной и поэтому дополнительный износ на конкретном участке контактирующих поверхностей зависит от изменения усилия ¥г и времени Д1. Изменение усилия можно установить из рассмотрения фазового портрета суммарного возмущающего воздействия. Однако на фазовом портрете суммарного воздействия отсутствует параметр времени. Поскольку время Д1 установить в реальных условиях затруднительно, то га практике можно использовать скорость интегрального износа Ф,(ф), поэтому основное выражение для построения фазового портрета скорости интегрального износа поверхностей контакта элементов вращегаи электромеханической системы имеет следующий вид:

(19)

(1ф

где Рг(ф) определяется го выражения (16), ф=0..2гс - аргумент. Также осуществлено математическое моделирование контролируемых технических состояний электромеханических систем приборов при разных соотношениях фазовых сдвигов возмущающих факторов и разных соотношениях амплитуд возмущающих воздействий

Показано, что для диагностирования механического привода достаточно одного критерия - фазового портрета вектора суммарного воздействия, для более сложных систем выбираются еще два критерия: изменение скорости вращения вектора суммарного воздействия и фазовый портрет скорости интегрального износа контактирующих поверхностей.

Приведены результаты математтиеского моделирования технического состояния привода, имеющего разные значения амплитуд возмущающих

факторов как для однонаправленного, так и для разнонаправленного вращени его элементов.

Разработана методика для определения неблагоприятных технически состояний приводов, при использовании выбранных диагноспгчески критериев, определяющих максимальную неравномерность износ контактирующих поверхностей.

Выявлено влияние фазовых сдвигов различных возмущающих факторов и неравномерность износа ее элементов. Построена гистограмма распрсделеш; амплитудных значений суммарного воздействия при единичных значения амплитуд возмущающих факторов и сдвиге фаз, равном 90° на каждом элемет вращения (рис.6).

а n

90 80 70 60

50--

40 30 20 10

2.25 2.5 2.75

3.25 3.5 3.75

Рис.6. Гистограмма распределения амплитудных значений суммарно возмущающего воздействия.

Также выявлен закон распределения амплитудных значений суммарнс воздействия.

Проведенное математическое моделирование систем, состоящих из Д1 приводов, при разных направлениях вращения их элементов и рази соотношениях амплитуд возмущающих факторов, позволяет установ] некоторые закономерности развития динамических процессов систем.

В табл.1 сведены значения скорости вращения вектора суммарного воздействия, полученные в ходе проведения математического моделирования.

Таблица 1

Значения скорости вращения вектора суммарного воздействия

Ф,(ф) = const ф.(Ф)>0 ф,(ф) меняет знак

126 вариантов 153 варианта 84 варианта

Таким образом, из табл.1 видно, «по всего 30% контролируемых технических состояний электромеханических систем имеют удовлетворительный результат на равномерность износа поверхностей контакта элементов вращения (ф,(ф) = const), так как при Ф,(ф)=const имеет место только амплитудная модуляция суммарного воздействия. Результаты математического моделирования показали, что при бесконтрольной сборке изделия имеет место большое множество различных контролируемых технических состояний электромеханических систем, которые в дальнейшем и будут определять надежную или не надежную работу изделия. Наиболее вероятные амплитудные значения суммарного возмущающего воздействия для электромеханической системы с рассмотренными единичными амплитудным и значениями возмущающих факторов имеют следующий ряд величин: 2.66, 2.282, 3.079, 3.206, 3.638, 3.757, 4.00.

При доводке контролируемого изделия следует существенное внимание обращать на наиболее вероятные амплитудные значения суммарного возмущающего воздействия и характер изменения скорости вращения вектора суммарного воздействия в фазовой плоскости. Таким образом, с использованием предложенного математического моделирования можно в условиях производства получить повышение ресурса функционирования изделия на 30 - 50%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения диссертационной работы впервые получены следующие научно-практические результаты:

1. Впервые разработан рациональный метод раскрытия физической сущности возникновения и развития тенденций неравномерности износа, основанный на выявлении условий формирования амплитудно-частотной модуляции суммарного возмущающего воздействия в сложных электромеханических системах в процессе эксплуатации.

2.Доказано, что основной причиной формирования неравномерности износа в элементах электромеханических систем является сложное пространственное движение общего элемента системы - основания, в результате которого осуществляется взаимное влияние отдельных источников вибрации на специфические особенности износа контактирующих поверхностей подвижных элементов системы.

3.Показано, что при одинаковом уровне технологического обеспечения качества изготовления и сборки узлов, агрегатов и электромеханических систем в целом имеем достаточно большое множество контролируемых технических состояний развития динамического процесса системы, что требует проведения крупномасштабного машинного эксперимента для систематизации информации о возможных тенденциях развития неравномерности износа в условиях эксплуатации. Математическое моделирование позволяет выявить неблагоприятные техшгческне состояния системы, которые могут возникать при производстве изделия в металле.

4.Показано, что результаты теоретических исследований обладают сложностью получения теоретических зависимостей и трудоемких расчетов и не обладают достаточной наглядностью. Только в отдельных случаях при равенстве амплитуд возмущающих гармонических воздействий и кратных соотношений частот колебаний, обеспечивающих достаточно хорошую сворачиваемость сумм тригонометрических функций возмущающих воздействий отдельных источников вибрации, теоретические зависимости можно представить в виде достаточно простых выражений и формул.

5.На основе теоретических исследований и математического моделирования развития динамического процесса электромеханическое системы разработаны принципиально новые диагностические критерии фазовый портрет суммарного возмущающего воздействия в плоскости < последующим уточнением характера его изменения в пространстве, характе{ изменения скорости вращения вектора суммарного воздействия во времени фазовый портрет интегрального износа элементов системы. Особо> внимание следует обращать на характер изменения скорости

ращения вектора суммарного воздействия. В работе были получены ледующие его виды:

■ скорость вращения равна постоянной величине;

И скорость вращения имеет только положительные значения;

■ скорость вращения имеет только отрицательные значения;

■ скорость вращения имеет переменный знак.

Впервые показано, что наличие изменения знака скорости вращения вектора :уммарного воздействия является преобладающей причиной концентрации юзмущений в отдельных областях фазового пространства контактирующих товерхностей опор.

6.Проведенный анализ обьемно-пространсгвенных структур шектромеханических систем с использованием моделирования динамических троцессов в контролируемой электромеханической системе, показал зозможность использования плоскостной задачи для часто повторяющихся наибольших значений параметров вибрации только по двум осям симметрии язделия. Для получения пространственной картины динамического процесса в контролируемой системе рекомендовано решение двух плоскостных задач.

7.Показано, что при1 наибольших отклонениях от равномерности г,носа товерхностей контакта элементов вращения существуют такие технические состояния, в которых половина фазового пространства полностью не испытывает суммарного воздействия, что приводит к развитию дефектов в определенных областях, а в дальнейшем к внезапному отказу всей системы в целом.

8.Рассмотрено влияние передаточного числа механизма на неравномерность интегрального износа элементов вращения. Приведены рекомендуемые передаточные числа, которые способствуют более равномерному износу. Также показано влияние соотношений амплитуд и фазовых сдвигов возмущающих факторов на неравномерность износа элементов вращения системы. Установлено, что в обычном механическом приводе имеет место наличие только амшппудной модуляции возмущающего воздействия.

9.На основе крупномасштабного машинного эксперимента создан банк данных наиболее благоприятных контролируемых технических состояний для реализации их на практике. Установлено, что наиболее оптимальной формой интегрального износа элементов системы является овальность с отклонениями от равномерности в пределах 5 - 7 % от среднего значения.

10. С использованием результатов крупномасштабного машинного эксперимента создана принципиально новая методика проектирования динамических процессов электромеханических систем при разной интенсивности отдельных источников вибрации. Анализ полученных при

его выполнении результатов показывает» что концентрации воздействий созданию условий формирования дефектов в значительной мере способству низкочастотные источники вибрации, а именно неуравновешенно* вращающихся масс роторов системы к технологические погрешнос изготовления и сборки деталей изделия.

11.На основе проведенного анализа технических состояний систем состоящей из четырех элементов вращения, получены гистограмма и выве; закон распределения амплитудных значений суммарного воздействия ; однонаправленного, разнонаправленного и смешанного вращения ротор! которые позволяют выявить наиболее вероятные значения амплитуд суммарно возмущающего воздействия, встречающиеся в таких системах.

Полученные в работе результаты рекомендуется использовать п диагностировании технических состояний и техническом контроле для издел авиационной н космической техники, судостроительной, автомобильной электротехнической промышленности.

Использование, предложенного метода диагностирования техническс состояния электромеханических систем в процессе их производства позволя добиться увеличения ресурса работы в заданных условиях эксплуатации в 1.5 раза.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1.Голубков В. А., Ершов Д.Ю., Влияние направления вращения неравномерность износа элементов конструкции привода /Сборник научн] трудов Всероссийской научно-тсхнической конференции "Перспектквн материалы, технологии, конструкции - 99", Красноярск, НИИ СУВПТ, 1999,3 с.

2.Ершов ДЮ., Соколов Ю.Н. Анализ суммарного, воздействия вибрац механических систем с одновременной амплитудной и частотной модуля ци /Тезисы докл. Международной научно-технической конференции "Диагноста информатика, метрология, экология, безопасность - 97", СПб, БГТУ, 1997, с. 50.

3.Ершов ДЮ., Соколрв Ю.Н. Моделирование условий концентрац возмущающих воздействий /Тезисы докл. Международной научно-техничесю конференции "Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность 97", СПб, БГТУ, 1997, с. 77.

4.Ершов ДЮ., Соколов Ю.Н. Исследование вибрационных процесс! механических систем с одновременной амплитудной и частотной модуля ци /Тезисы докл. Всероссийской научно-практической конференции студенте аспирантов и молодых специалистов - "Решетневские чтения - 97", Красноярс 1997, с. 52.

5.Ершов Д.Ю., Соколов Ю.Н. Основные аспекты обеспечения равномерности износа зубчатых механизмов в изделиях космической техники /Тезисы докл. Международной научно-практической конференции по проблемам обеспечения надежности и качества зубчатых передач "Зубчатые передачи - 98м (16 -18 июня 1998 г.), СПб, БГТУ, 1998, с. 38.

6.Ершов Д.Ю., Соколов Ю.Н. Качество изготовления зубчатых колес -фундамент обеспечения надежности и безопасности функционирования исполнительных механизмов космических аппаратов /Тезисы докл. научно-технической конференции "Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность - 98", СПб, БГТУ, 1998, с. 87.

7.Ершов Д.Ю. Пути и способы подтверждения заданных показателен устройств и агрегатов автоматики систем космической аппаратуры. /Тезисы докл. научно-технической конференции "Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность - 98", СПб, БГТУ, 1998, с. 25.

8.Ершов Д.Ю., Явленский КН. Особенности проектирования зубчатых механизмов исполнительных устройств космических аппаратов с длительным сроком службы /Тезисы докл. научно-технической конференции "Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность - 98", СПб, БГТУ, 1998, с. 88.

9.Ершов Д.Ю. Моделирование условий концентрации возмущающих воздействий в элементах механических систем /Сборник докладов Первой научной сессии аспирантов (12 - 17 апреля 1998 г.), СПб, СПГУАП, 1998, с. 379-380.

Ю.Ершов ДЮ., Соколов Ю.Н., Явленский К.Н. Диагностирование вибрационных процессов механических систем с одновремешюй амплитудной и частотной модуляцией суммарного воздействия в них /Сборник научных трудов Всероссийской научно-технической конференции "Перспективные материалы, технологии, конструкции - 98", г. Красноярск, НИИ СУВПТ, 1998,3 с.

П.Ершов Д.Ю., Соколов Ю.Н., Явлепсгдй К.Н. Моделирование процессов вибрации электромеханических систем с совместной амплитудной и частотной модуляцией /СПбГУАП, Министерство общего и профессионального образования РФ. СПб, 1998, 14 с. Деп. в ВИНИТИ № 1281 -В99.

12.Ершов ДЮ., Соколов Ю.Н., Явленский К.Н. Моделирование условий формирования неравномерности износа элементов вращения в механическом приводе /СПбГУАП, Министерство общего и профессионального образования РФ. СПб, 1998, 12 с. Деп. В ВИНИТИ № 2127-В99.

13.Ершов Д.Ю., Соколов Ю.Н. Технология диагностирования технического состояния многороторных механических систем /Сборник научных трудов Всероссийской научно-технической конференции "Перспективные материалы, технологии, конструкции - 99", Красноярск, НИИ СУВПТД999, 3 с.

14.Ершов Д.Ю., Соколов Ю.Н. Моделирование технологических погрешностей элементов вращения многороторных механических систем /Сборник научных трудов Всероссийской научно-технической конференции "Перспективные материалы, технологии, конструкции - 99", Красноярск, НИИ СУВПТ, 1999,2 с.

15.Ершов Д.Ю., Соколов Ю.Н. Рациональный выбор передаточного числа редуктора механизма - путь повышения качества его конструкции /Сборнт научных трудов Всероссийской научно-технической конференции "Перспективные материалы, технологии, конструкции - 99", Красноярск, НИИ СУВПТ, 1999, 3 с.

16.Ершов Д.Ю. Снижение виброакгивности и неравномерности износ; поверхностей контакта элементов вращения электромеханических систех /Тезисы докл. Второй научной сессии аспирантов (12 - 16 апреля 1999) СПГУАП, С-Пб, 1999, с. 80.

17. Ершов Д.Ю., Миронович В.П., Соколов Ю.Н. Ресурсосберегающи режимы функционирования элементов автономных электромеханически систем. /4-я Всероссийская научно-практическая конференция международным участием "Новое в экологии и безопасност жизнедеятельности", (16 - 18 июня), ГТУ, С-Пб, 1999, 3 с.

18.Ершов Д.Ю., Соколов Ю.Н. Особенности диагностирования услови формирования неравномерности износа элементов вращения механически систем /Тезисы докл. Всероссийской научно-практической конференщ студентов, аспирантов и молодых специалистов "Решетневские чтения - 99 (10 - 12 ноября, 1999), Красноярск, 1999 г., с. 258.

19.Ершов Д.Ю. Снижение неравномерности износа поверхностей контак элементов вращения механических систем. /Тезисы докл. Третьей научж сессии аспирантов (10-15 апреля 2000), СПГУАП, С-Пб, 2000.