автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка интегральной системы контроля технического состояния ткацкого станка

Введение

Глава 1. Современный уровень развития методов и средств контроля технического состояния ткацких станков IО

1.1 Общие положения

1.2 Обзор конструкций основных механизмов ткацкого станка СТБ

1.3 Состояние исследований по виброакустической диагностике, методам получения и обработки информации

1.4 Виды технического состояния механизмов, возможности его определения

1.5 Обзор технических средств определения технического состояния производственных машин

Выводы

Глава 2. Математическое моделирование динамики ремизоподъемного механизма

2.1 Общие положения

2.2 Моделирование колебаний механизма(пятимассовая модель 1) '

2.2.1 Описание динамической модели

2.2.2 Составление уравнений движения

2.2.3 Моделирование свободных колебаний

2.2.4 Частотный и модальный анализ модели

2.3 Моделирование вынужденных колебаний механизма

2.3.1 Описание динамической модели

2.3.2 Дифференциальное уравнение движения модели

2.3.3 Подготовка дифференциальных уравнений для программы 81АМ

2.3.4 Анализ результатов моделирования

Выводы

Глава 3 Разработка системы контроля технического состояния ткацкого станка

3.1 Общие положения

3.2 Обоснование структуры системы контроля

3.3 Разработка микропроцессорного прибора контроля параметров ткацкого станка

3.3.1 Общие положен ия

3.3.2 Анализ архитектуры и выбор схемного решения микропроцессорного прибора контроля технологического состояния

3.3.3 Анализ и выбор подсистемы аналогового ввода

3.3.4 Краткий обзор представленных схемных решений

3.4 Обоснование выбора рабочего варианта прибора 88 3.4.1 Обоснование выбора функциональных узлов

3.4.1.1 Датчики ускорений и натяжения нити

3.4.1.2 Однокристальный микроконтроллер

3.4.1.3 Графический индикатор

3.4.1.4 Модуль энергонезависимой памяти

3.4.1.5 Интерфейс сопряжения прибора с персональным компьютером

3.5 Алгоритмическое и программное обеспечение прибора

3.5.1 Программное обеспечение микроконтроллера

3.5.2 Программное обеспечение ввода данных в персональный компьютер

Выводы

Глава 4 Автоматизированный контроль технического состояния механизмов ткацкого станка

4.1 Задачи контроля и схемы установки датчиков

4.2 Тарировка датчиков

4.3 Разработка алгоритма обработки информационных сигналов

4.3.1 Выделение периодических составляющих

4.3.2 Определение параметров технического состояния объекта

4.3.3 Описание алгоритма обработки данных

4.4 Анализ результатов обработки информационных сигналов

4.4.1 Описание и анализ ускорений и натяжения нитей

4.4.2 Сравнение результатов теоретического моделирования и натурного эксперимента ремизоподъемного механизма

Выводы

Актуальность работы. К используемому в ткацком производстве оборудованию на этапах его проектирования, изготовления и эксплуатации предъявляются высокие требования по точности реализации сложных законов движения рабочих органов. Рычажные механизмы циклового действия указанного оборудования имеют разветвленную структуру, нелинейные функции положения, значительные массы рабочих звеньев. В процессе работы они подвержены значительным динамическим нагрузкам, увеличивающимся при наличии сверхнормативных зазоров, что приводит к ускорению износа деталей, увеличению шума, нарушению циклового взаимодействия рабочих органов.

Одним из направлений улучшения динамических характеристик механизмов ткацких станков является использование на стадиях эксплуатации методов и средств технической диагностики, позволяющей при создании оборудования объективно оценить в динамике качество его проектирования и изготовления и наметить пути устранения "узких" мест, а в условиях эксплуатации на работающем оборудовании определить техническое состояние механизмов.

Для обеспечения настройки механизмов заправочной линии ткацкого станка с учетом реальных динамических характеристик механических и технологических параметров требуется оперативный контроль и диагностика технического состояния механизмов наряду с информацией о параметрах натяжения нитей, что решается на базе автоматизированных технических средств.

Цели и задачи работы. Целью работы является разработка и создание системы интегральной оценки технического состояния ткацкого станка. В соответствии с целью в работе решается ряд взаимосвязанных задач, основными из которых являются:

1) Анализ и систематизация научно-технической информации по современным методам и средствам контроля технического состояния ткацких станков, а также конструктивных особенностей их основных механизмов.

2) Исследование динамического диапазона контролируемых параметров на основе математического моделирования ремизоподъемного механизма, испытывающего значительные динамические и технологические нагрузки.

3) Обоснование структурного решения интегральной системы контроля технического состояния с разделением функций между микропроцессорным прибором контроля (МПК) малогабаритным переносным с энергонезависимой памятью, и стационарным персональным компьютером (ПК), решающего задачи измерения ускорений, натяжения нити, частоты вращения главного вала станка, долгосрочного хранения информации, отвечающего требованию эксплуатации в запыленных цеховых условиях, и стационарным персональным компьютером (ПК).

4) Разработка математического, алгоритмического, программного обеспечения МПК и ПК.

5) Обоснование выбора схемного решения прибора контроля.

6) Изготовление рабочей модели МПК и комплексная отладка аппаратной и программной части системы.

7) Натурный эксперимент, обработка колебательных процессов ускорений, натяжения нитей, оценка технического состояния обследуемых механизмов.

Методы исследований. В работе использованы методы математического моделирования, проектирования микропроцессорной аппаратуры, методы натурного эксперимента и обработки колебательных процессов, диагностики технического состояния, статистического анализа.

Научная новизна. В процессе работы над диссертацией:

1) Разработаны динамические и математические модели ремизоподъемного механизма ткацкого станка СТБ-2 с учетом нелинейной функции положения механизма, влияния зазоров и технологической нагрузки. Выполнен частотный и модальный анализ. Исследовано влияние на формирование динамической нагруженности механизма кинематического ускорения, зазоров, технологической нагрузки.

2) На основе математического моделирования определен динамический диапазон информационных сигналов.

3) Найдены структурные и схемные решения интегральной системы контроля технического состояния на основе современной элементной базы, с разделением функций между переносным МП К и стационарным ПК. Рабочий вариант защищен свидетельством на полезную модель: "Микропроцессорное устройство технической диагностики технологических машин" Комитета Российской Федерации по патентам и товарным знакам.

4) Разработано алгоритмическое (АО) и программное обеспечение (ПО) МПК, обеспечивающее функционирование прибора.

5) Разработано алгоритмическое и программное обеспечение ПК для обработки информации, характеризующей техническое состояние объектов обследования.

6) Установлена необходимость интегральной оценки работо-способности ткацкого станка на основе оценки технического состояния основных тканеобразующих механизмов, механизмов заправочной линии основных нитей и их натяжения.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1) Разработан и изготовлен макет прибора для определения технического состояния ткацкого станка. Это малогабаритный переносной прибор с энергонезависимой памятью, стыкуемый с ЭВМ, восьмиканальный: 5 аналоговых каналов для контроля ускорений, 2 аналоговых канала контроля натяжения нити, 1 дискретный канал для определения частоты вращения.

2) Разработано ПО системы, включающей МПК и ПК и методика контроля технического состояния ткацкого станка.

3) Выполнено обследование технического состояния ткацких станков на ОАО "Невская мануфактура" с использованием разработанной системы, показавшее ее работоспособность.

4) Разработанная система контроля позволяет выполнять интегральную оценку технического состояния, что используется для решения задач организации ремонтной службы и переналадки станков на часто меняющейся ассортимент тканей, в частности на ОАО "Невская мануфактура".

Результаты измерений могут также использоваться для оценки кинематических и динамических параметров механизмов, что важно для оценки работоспособности вновь спроектированных механизмов.

Разработанные схемные решения, алгоритмы и тексты управляющих программ могут быть использованы для дальнейших работ по созданию микропроцессорных средств контроля технического состояния технологических машин. Результаты диссертационной работы внедрены в учебном процессе в качестве лабораторных установок на кафедрах автоматизации производственных процессов и проектирования машин текстильной и легкой промышленности. 9

Апробация работы. Основные положения работы были доложены на следующих конференциях:

1) "Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве". Межд. н. т. конференция (Прогресс-97), Иваново, 28-30 октября 1997 г.

2) "Машины и аппараты текстильной и легкой промышленности". Конференция посвященная 60-летию механического факультета СПГУТД" (15-17 апреля 1998 г.).

3) Межд. конф. "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (9 Бенордоские чтения) 8. 10. 06. 1999.

4) Межд. конф." Химволокно - 2000" 16-19 мая 2000 г. Тверь.

5) "Материалы юбилейной научно-технической конференции. СПГУД (2324 ноября 2000).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ и получено 1 авторское свидетельство на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций. Содержит 180 стр.,

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования, полученные научно-обоснованные технические решения интегральной системы контроля технического состояния (ТС), изготовление и эксплуатация рабочей модели позволяют повысить стабильность ТС ткацких станков, что подтвердило использование ее в ОАО «Невская мануфактура».

1) Проведен обзор конструкций основных механизмов ткацкого станка

СТБ.

Выполнен анализ исследований по виброакустической диагностике. Выявлена связь параметров механической системы с таким интегральным признаком как спектр собст венных частот, отражающий упруго-инерционные свойства системы. Обзор исследований в области динамики механизмов показал сложность в определении упрого-демпфирующих свойств объектов и одновременно необходимость комплексного экспериментально-теоретического подхода к разработке методики контроля технического состояния механизмов.

2) Рассмотрены основные факторы, которые должны учитываться при выборе измерительной аппаратуры. Такими основными факторами являются динамический диапазон, амплитудно-частотная характеристика, метрологические характеристики, срок службы датчиков и аппаратуры, необходимое количество каналов измерения, условия эксплуатации. Наиболее прогрессивным является преобразование аналоговой информации в цифровую на начальной стадии обработки сигналов и беспроводные системы связи измерительного прибора с персональным компьютером.

3) Составлены расчетные динамические модели, учитывающие особенности конструкции, технического состояния ремизоподъемного механизма, кинематическое, силовое возмущение и зазоры.

4) Выполнен частотный и модальный анализ ремизоподъемного механизма на базе пятимассовой модели с учетом влияния на инерционные характеристики нелинейного характера функций положения. Установлено, что нелинейная передаточная функция несущественно изменяет величину собственных частот механизма.

5) Аналитический расчет колебаний механизма показал, что техническое состояние механизма определяется величиной зазоров, характер изменения технологической нагрузки существенно влияет на динамическую нагруженность механизма. Результаты моделирования могут быть использованы при автоматизированном проектировании механизмов и послужили обоснованием для выбора амплитудно частотного диапазона аппаратуры, разрабатываемой для оценки реального технического состояния как новых механизмов так и эксплуатируемых в ткацком производстве.

6) Разработана структура интегральной системы контроля технического состояния с разделением функций между переносным прибором и персональным компьютером.

7) Особенностями технического решения является разработка восьмиканального прибора с датчиками ускорения, натяжения нити и угла поворота главного вала на базе микроконтроллера со встроенным аналого-цифровым преобразователем, модуля энергонезависимой памяти, устройством сопряжения с персональным компьютером. Изготовлен прибор

8) Алгоритмическое и программное обеспечение системы обеспечивает функционирование прибора и обработку информации.

9) Выполнено экспериментальное исследование в ОАО «Невская мануфактура» с использованием разработанной системы контроля основных механизмов при определении силы натяжения основных нитей. По ремизоподъемному механизму результаты эксперимента подтвердили данные, полученные при моделировании. Результаты диагностирования коррелируют с действительным техническим состоянием кинематических пар механизмов.

152

Низкочастотные составляющие процессов позволяют проанализировать цикловое взаимодействие механизмов и искажения кинематических (базовых) ускорений.

1. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978.-239 с.

2. Бронштейн ИЛ L, Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. 13-е изд., испр. -М.: Наука, 1986. - 544 с.

3. Вибрация в технике: Справочник. В 6-ти т./ Ред. совет В.Н. Челомей (пред.). М.: Машиностроение, 1980. - т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов / Под. ред. Ф.Д. Диментберга и К.С. Колесникова, 1980. - 554 с.

4. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов. А.Г. Соколова, Ф.Я. Белинский, М.А. Иванова, Е.И. Хомяков. М.: Наука,1984.- 119 с.

5. Вульфсон И.И. Виброактивность приводов машин разветвленной и кольцевой структуры. Л.: Машиностроение, 1986. - 250 с.

6. Вульфсон И.И., Колебания машин с механизмами циклового действия. Л.: Машиностроение, 1990. -305 с.

7. Вульфсон И.И. Колебания в машинах: Учебное пособие для втузов. -СПб.: СПГУТД, 1996. 185 с.

8. Колчин Н.И. Механика машин. Т. 1. М. - Л. Машгиз, 1971. - 560 с.

9. Коритысский Я.И. Колебания в текстильных машинах. М.: Машиностроение, 1973. - 320 с.

10. Ю.Макаров Р. А. Средства технической диагностики машин. М.: Машиностроение, 1981. - 223 с.

11. Методы и средства обеспечения надежности машин. Под ред. Гусенкова А.П. М. - Наука, 1993.

12. Нахапетян Е.Г. Определение критериев качества диагностирования механизмов. М.: Наука, 1977. -139 с.

13. Проектирование и расчет динамических систем/ Под ред. В. А. Климова. Л.: Машиностроение, 1974. - 360 с.

14. Техническая диагностика машин текстильной и легкой промышленности/ Климов В.А., Лавров К.А., Мазин Л.С., Сигачева В.В., Смирнов И.Н., Энтин В.Я. М.; Легкая и пищевая пром-сть, 1982. - 246 с.

15. Технические средства и методы виброакустической диагностики оборудования текстильной и легкой промышленности / В.В. Сигачева, В.А. Климов, С.И. Лукичев и др. JVL: Легпромбытиздат, 1993. - 160 е.: ил.

16. Шор И.Б., Кузьмин Ф.Н. Таблицы для анализа и контроля надежности. М.: Советское радио, 1968. - 284 с.

17. Нахапетян Е.Г. Контроль и диагностирование автоматического оборудования / Под ред. К. 3. Фролова. М.: МЦНИТИ, ин-т машиноведения АН СССР. 1989.- 107 с.

18. Технические средства диагностирования. Справочник/ Под ред. В. В. Клюева. М.: Машиностроение, 1989. - 671 с.

19. Степанов Г.В., Быкадоров Р.В. Станки СТБ: устройство и наладка. -М.: Легпромбытиздат, 1986. 215 с.

20. Шевковпляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения: Справочник. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1990. - 512 е.: ил.

21. Микропроцессорные системы автоматического управления/ В. А. Бесекерский, Н.Б. Ефимов, С. И. Зиатдинов и др.: Под общ. ред. В.А. Бесекерского. Л.: Машиностроение. 1988. - 365с.

22. Дискретная математика для инженера. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988,- 480 е.: ил.

23. Аш. Ж. и соавторы. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Пер. с франц. М.: Мир, 1992. Кн. 1 480 с. , Кн. 2 - 424 е., ил.

24. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: Пер. с англ./ Под ред. У. Томпкинса, Дж. Уэбстера. М.: Мир. 1992. -592 е., ил.

25. Хаммел. P.JX. Последовательная передача данных: Руководство для программиста: Пер. с англ. М.: Мир, 1996, - 752 е., ил.

26. Шилд Г. Программирование на BORLAND С++ для профессионалов/ Пер. с англ. А.И. Панасюк, А.Н. Филимонов. Худ. обл. М.В. Драко. Мн.: ООО "Попурри", 1999. - 800 е.: ил.

27. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования. 2-изд., перераб. и доп. -СПб.: Политехника, 1999. 592 е.: ил.1. Статьи

28. Вульфсон И.И., Климов В.А., Крылов К.В., Мазин JI.C, Исследование виброактивности механизмов кольцевой аппаратуры при учете соударений в зазорах // Машиноведение. -1983. № 1. - с. 18-24.

29. Климов В.А., Энтин В.Я., Мазин Л.С., Павлов Л.С. Техническая диагностика батанного механизма станка СТБ 4-330// Изв. вузов. 1977. - № 5. -с. 108-110:-№6.- с. 119-122.

30. Сигачева В.В., Маежов Е.Г. Поляков Б.А. Автоматизированный контроль технического состояния зевообразующего механизма ткацкого станка СТБ 4-330 на диагностических стендах// Изв. вузов. Текстильная пром-сть. 1985. № 10. - с. 57-59.

31. Опыт повышения эффективности эксплуатации станков на основе автоматизированной диагностики. Сигачева В.В., Лукичев С.И., Маежов Е.Г., Могильный А.Н. ж. "Вестник машиностроения" с. 37- 38.

32. Разработка и эксплуатация диагностической системы механических узлов (тезисы доклада). Сигачева В.В., Маежов Е.Г., Иванов В.Ю., Юдина Н.Е. межд. конф. "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (9 Бенордоские чтения) 8.10. 06.1999.

33. Микропроцессорное устройство технической диагностики технологических машин (тезисы доклада). В.Ю Иванов, Е.Г. Маежов, В.В.

34. Сигачева, В.Я. Энтин, В.А. Климов, "Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве" . Межд. н. т. конференция (Прогреес-97), Иваново, 28-30 октября 1997 г.

35. Программа оценки и прогноза работоспособности цикловых механизмов. Сигачева В,В., Лукичев С.И., Маежов Е.Г. Свидетельство об регистрации программ.

36. Диагностическая система оценки работоспособности ткацких станков. Сигачева В.В., Маежов Е.Г., Иванов В.Ю., Марков A.A. ж. Известия вузов "Технология текстильной промышленности" № 2 1999.

37. Микропроцессорное устройство контроля параметров нити, (тезисы доклада). Сигачева В.В., Иванов В.Ю., Маежов Е.Г. межд. конф." Химволокно 2000" 16-19 мая 2000 г. Тверь.

38. Автоматизированный контроль и прогнозирование механико-технологических параметров ткацких станков (тезисы доклада). Сигачева В.В. Межвуз. конф. СПГУТД 23-24. 11 2000 г. ч.З стр. 138-139.

39. A.c. 1416561 СССР, МКИ ДОЗД5/20. Устройство управления ткацким станком/ Маежов Е.Г., Тищенко О.И., Сигачева В.В., Недосвитий В. М./ ЛИТЛП им. С. М. Кирова. Заявл. 22. 12 1986. Опубл. 15. 08. 88. Бюл. № 30.

40. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Основные термины и определения. М.: Изд. стандартов 1989.