автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Система контроля динамических характеристик конструктивных элементов транспортных средств с коррекцией результатов спектрального анализа

Введение

Глава первая. Контроль динамических характеристик конструктивных элементов транспортных средств

1.1. Виброакустические процессы транспортных средств и связь их с динамическими характеристиками конструкций

1.2. Пространственно-частотные модели виброакустических процессов

1.3. Методы, системы и погрешности контроля динамических характеристик конструкций транспортных средств на основе спектрального анализа виброакустических процессов

1.4. Постановка задачи исследований

Глава вторая. Спектральный анализ вибрации транспортных средств с коррекцией результатов измерений

2.1. Анализ и классификация погрешностей систем оценивания спектральных характеристик виброакустических процессов

2.2. Уменьшение методических погрешностей систем оценивания спектральных характеристик виброакустических процессов

2.3. Спектральный анализ детерминированных виброакустических процессов транспортных средств

Выводы по второй главе

Глава третья. Определение динамических характеристик конструктивных элементов на основе экспериментально-расчетных методов

3.1. Активные методы оценивания динамических характеристик конструкций

3.2. Системы измерения и анализа динамических характеристик конструкций узлов и агрегатов транспортных средств

3.3. Определение динамических характеристик конструктивных элементов при детерминированных вибрационных воздействиях

3.4. Определение динамических характеристик конструктивных элементов при случайных вибрационных воздействиях

3.5. Определение динамических характеристик конструктивных элементов на основе одноточечных методов

Выводы по третьей главе

Глава четвертая. Техническая реализация систем контроля динамических характеристик конструктивных элементов транспортных средств

4.1. Выбор и оптимизация элементов и структуры систем

4.2. Особенности технической реализации системы контроля динамических характеристик конструкций на базе ПЭВМ

4.3. Экспериментальные оценки спектральных характеристик виброакустических процессов

Выводы по четвертой главе

В последние годы значительное внимание уделяется совершенствованию методов определения технического состояния агрегатов, узлов и приборов транспортных средств на основе оценивания их динамических свойств. При этом экспериментально-расчетным методам определения динамических характеристик конструктивных элементов отводится фундаментальная роль. В основу этих методов положено измерение параметров вибрации на приложенные силовые воздействия с последующим вычислением динамических характеристик конструктивных элементов. В зависимости от способа формирования силовых воздействий экспериментально-расчетные методы определения динамических характеристик подразделяются на активные и пассивные.

Активные методы определения динамических характеристик базируются на формировании тестовых вибрационных воздействий с известными статистическими характеристиками и позволяют обеспечить высокое качество измерений. При этом значительный интерес вызывают активные методы определения динамических характеристик конструктивных элементов, позволяющие исследовать особенности распространения механических колебаний и установить причины возникновения резонансов. Однако в ряде случаев формирование тестовых вибрационных воздействий недопустимо по конструктивным соображениям, что ограничивает возможности применения активных методов определения динамических характеристик.

Пассивные методы определения динамических характеристик конструкции основаны на анализе спектральных характеристик эксплуатационной вибрации. Эти методы не требуют применения источников вибровозбуждения и оказывают слабое влияние на условия эксперимента. Однако случайный характер и неравномерность спектров 5 эксплуатационной вибрации транспортных средств приводят к значительным методическим погрешностям измерений. Кроме того, в отличие от активных методов возможности определения динамических характеристик конструктивных элементов без использования тестовых сигналов исследованы в недостаточной степени, что снижает эффективность пассивных методов.

Поэтому актуально повышение эффективности пассивных методов на основе коррекции результатов спектрального анализа вибрации исследуемых агрегатов, узлов и приборов с учетом неравномерности спектров и адаптацией этих методов для определения динамических характеристик конструктивных элементов в процессе эксплуатации транспортных средств.

Среди разнообразных транспортных средств рассматриваются два вида: автомобильный и воздушный, как наиболее характерные с точки зрения излучаемых вибрационных процессов.

Цель диссертационной работы заключается в повышении качества определения динамических характеристик конструктивных элементов транспортных средств на основе применения экспериментально-расчетных методов с коррекцией результатов спектрального анализа.

Для достижения этой цели в диссертации решена задача разработки комплекса методов и средств определения динамических характеристик конструктивных элементов транспортных средств на основе применения экспериментально-расчетных методов с коррекцией результатов спектрального анализа.

Частными задачами диссертационной работы являются: - анализ и классификация погрешностей систем оценивания спектральных характеристик вибрационных процессов с учетом специфики транспортных средств; 6

- разработка экспериментально-расчетных методов и систем оценивания спектральных характеристик вибрационных процессов транспортных средств на основе согласования вида анализируемого спектра с параметрами средств анализа;

- разработка экспериментально-расчетных методов определения динамических характеристик конструктивных элементов транспортных средств с учетом их связей в конструкции;

- исследование вопросов технической реализации разработанных методов.

Основные результаты получены путем систематизации и обобщения знаний в области вибрационных исследований транспортных средств и аппаратурного спектрального анализа случайных процессов.

Теоретические исследования базируются на современных методах теории вероятностей, теории случайных процессов, математической статистики, спектрального анализа стационарных и нестационарных случайных процессов.

Экспериментальные результаты получены при использовании современного виброиспытательного и вибродиагностического оборудования.

Реализация результатов работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы использованы при разработке системы, которая применена на предприятиях:

- КГТУ им. А.Н. Туполева, кафедра радиоэлектронных и телекоммуникационных систем (г. Казань);

- ГУП «Радиоприбор» (г. Казань).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на Международной научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы транспорта», Ульяновск, 1999, Международном симпозиуме «Надежность и качество - 99», Пенза, 7

1999, научно-технической конференции «Людина та навколишнэ середовице - проблеми безперерывно! екологично1 освгги в вузах», Одесса, 2000,12-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика, экология», Казань, 2000, научно-технической конференции, Таганрог-Казань, 2000, Международном симпозиуме «Надежность и качество - 2000», Пенза, 2000, Всероссийской научно-технической конференции «Методы измерения в системах контроля и управления», Пенза, 2001, Международном симпозиуме «Надежность и качество 2001», Пенза, 2001, 13-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика, экология», Казань, 2001.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников литературы из 103 наименований и приложения. Она изложена на 151 странице, содержит 21 рисунок.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Проведены исследования и предложена классификация погрешностей методов и систем спектрального анализа вибрационных процессов транспортных средств с учетом метрологических свойств средств измерения и анализа. Показана зависимость суммарной погрешности от вида оцениваемого спектра, от времени анализа для нестационарных процессов и от параметров средств спектрального анализа. Исследованы погрешности, обусловленные неидеальностью операторов преобразования, лежащих в основе определения спектра, и усреднения, а также ограниченным объемом используемых выборочных

149 данных о мгновенных значениях случайного процесса. Это позволяет определить наиболее эффективные пути уменьшения погрешностей методов и средств спектрального анализа.

2. Предложены методы спектрального анализа случайных вибрационных процессов транспортных средств, основанные на ортогонализации каналов анализа систем оценивания путем создания параллельных каналов с частотно-зависимыми коэффициентами деления и с нулевыми коэффициентами деления на центральных частотах соседних избирательных цепей; на уменьшении зависимости оценки анализируемого спектра от вида исследуемой спектральной характеристики. При этом выбор необходимого времени усреднения в каждой частотной полосе анализа определяется экспериментально по результатам оценки текущей статистической погрешности. Это позволяет разработать эффективные средства спектрального анализа, которые реализуют предложенные методы и которые целесообразно использовать при доработке конструкции транспортных средств.

3. Предложены методы спектрального анализа полигармонических вибрационных процессов, основанные на совместной обработке результатов последовательного и параллельного способов частотного анализа и на учете неортогональности амплитудно-частотных характеристик анализирующих фильтров. Показано, что при последовательном анализе определяются расположения гармонических составляющих на оси частот, а с помощью параллельного анализа определяются значения амплитуд. Установлено, что определенный экспериментально коэффициент связи для неортогональных анализирующих фильтров позволяет получить уточненные значения амплитуд и частот полигармонических процессов. Это позволяет повысить качество измерения динамических характеристик конструктивных

150 элементов на основе использования тестовых полигармонических сигналов.

4. Исследованы возможности определения динамических характеристик конструктивных элементов на основе экспериментально-расчетных методов. Установлено, что если каждый входной узел соединения конструктивных элементов связан конструктивным элементом с одним выходным узлом, то комплексные частотные характеристики конструктивных элементов, можно определить путем перемножения полученных на основе измерений матрицы значений собственных и взаимных спектральных плотностей мощности вибрационных вибрации во входных узлах соединения конструктивных элементов на матрицу, обратную к матрице значений взаимных спектральных плотностей мощности вибрации во входных и выходных узлах. Это значительно повышает качество вибродиагностики конструкций узлов и агрегатов транспортных средств при их разработке и эксплуатации.

151

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решены частные задачи, заключающиеся в анализе и классификации погрешностей систем оценивания спектральных характеристик вибрационных процессов с учетом специфики транспортных средств; в разработке экспериментально-расчетных методов и систем оценивания спектральных характеристик вибрационных процессов транспортных средств на основе согласования вида анализируемого спектра с параметрами средств анализа; в разработке экспериментально-расчетных методов определения динамических характеристик конструктивных элементов транспортных средств с учетом их связей в конструкции; в исследовании вопросов технической реализации разработанных методов, а, следовательно, решена общая задача исследований, заключающаяся в разработке комплекса методов и средств определения динамических характеристик конструктивных элементов транспортных средств на основе применения экспериментально-расчетных методов с коррекцией результатов спектрального анализа.

1. Автоматическое управление вибрационными испытаниями/ А. Г Гетманов, П.И. Дегтяренко, Б.Ю. Мандровский-Соколов и др. М.: Энергия, 1978, 112 с.

2. А.С. 736017 (СССР). Анализатор спектра случайных вибраций/Я.С. Урецкий, З.А. Баширов, А.Г. Баширова, Н.Ю. Лепехова.- опубл. В Б.И.,1980, № 19.

3. А.С. 879492 (СССР) Устройство для анализа спектра широкополосных случайных сигналов/ Я.С. Урецкий, З.А. Баширов, А.Г. Баширова, P.P. Каюмов, Н.П. Лоскутов.- опубл. В Б.И., 1981, № 41.

4. А.С. 1337804 (СССР) Устройство для анализа спектра широкополосных случайных сигналов/ Я.С. Урецкий, З.А. Баширов, А.Г. Баширова, В.А. Уппит, А.З. Шапиро опубл. В Б.И., 1987, № 34.

5. Акустика: Справочник. А.П. Ефимов, А.В. Никонов, М.А. Сапожков, В.И. Шоров М.: Радио и связь, 1989.

6. Арутюнов П. А. Теория и применение алгоритмически^ измерений. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 е.: ил.

7. Артоболевский И.И., Бобровицкий Ю.Г., Генкин М.Д. Введение в акустическую динамику машин. М.: 1979.

8. Артюнов П. А. Теория и применение алгоритмических измерений, -М.: Энергоатомиздат, 1990.- 256 е.: ил.

9. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1967.

10. Ахо А., Хопкрофт Дж., Ульман Дж. Построение и анализ вычислительных алгоритмов. М.: Мир, 1983.

11. Балицкий Ф.Я. Исследование вибрационных процессов в зубчатых передачах для целей акустической диагностики: Автореф. дис., М, 1976.152

12. Балицкий Ф.Я. , Иванова М.А., Соклакова А., Хомяков Е.И. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов. М.: 1983.

13. Балл .А. Аппаратурный корреляционный анализ. М.: Энергия, 1968.

14. Баронос П.П., Звиедрис А.В., Салениекс Н.К. Надежность и качество механических систем. Рига: 1982.

15. Баширов З.А. Методы повышения качества спектрального анализа стационарной эксплуатационной вибрации// Измерительная техника. 1993. № 4. С. 35

16. Бахвалов Н. С. Численные методы. М: Наука, 173. 632 с.

17. Бегларян В.Х. Механические испытания приборов и аппаратов. -М.: Машиностроение, 1980, 223с.

18. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978.

19. Болотин В.В. Случайные колебания упругих систем. М.: Наука, 1979.

20. Божко А. Е., Урецкий Я. С. Системы формирования случайных вибраций. Киев, Наукова думка, 1979, 176 с.

21. Божко А.Е. Воспроизведение случайных вибраций. Киев:

22. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа. М.: Мир, 1983.

23. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1974.

24. Василенко Г.И. Теория востановления сигналов. М.: Сов.радио, 1979.

25. Вапник В.Н., Червоненкис А.Я. Теория распознавания образов. М.: Наука, 1974.

26. Венецкий И.Г., Кильдишев Г.С. Теория вероятностей и математические статистики. М.: Статистика, 1975.153

27. Вибрации в технике: Справочник; в 6т. М.: 1978-1981.

28. Воллернер Н.Ф. Аппаратурный спектральный анализ. М.: Сов. Радио, 1969.

29. Гаспарский В. Праксеологический анализ проектно-конструкторских разработок.- М.: Мир, 1978, 174 с.

30. Генкин М.Д., Елезов В.Г., Яблонский В.В. Методы активного гашения вибрации механизмов // Динамика и акустика машин. М. : Наука, 1971. С. 56-64.

31. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М.: Машиностроение, 1987.

32. Генкин М.Д. Вопросы акустической диагностики. М.: Машиностроение, 1975.

33. Голд Б, Рэйдер Ч. Цифровая обработка сигналов. М.: Сов.радио, 1973.

34. Горелик A.J1. Общий подход к построению систем технической диагностики. Рига: 1983.

35. ГОСТ 23941-79 Шум. Методы определения шумовых характеристик. Общее требования.

36. ГОСТ 24346-80 Вибрация. Термины и определения.

37. ГОСТ 24347-80 Вибрация. Обозначения и величины.

38. ГОСТ 25275-82 Система стандартов по вибрации.

39. Грибанов Ю.И., Мальков B.JI. Спектральный анализ случайных процессов. М.: Энергия, 1974.

40. Грибанов Ю. И., Мальков В. JI. Выборочные оценки спектральных характеристик стационарных процессов. М.: Энергия, 1978, 152 е.: ил.

41. Гуткин JI.C. Проектирование радиосистем и радиоустройств: учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1986, 288 с.154

42. Гуткин JI.С. Оптимизация радиоэлектронных устройств. М.: Сов. Радио, 1965, 367 с.

43. Гутников В. С. Фильтрация измерительных сигналов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990.- 192 е.: ил.

44. Дабагян А. В. Проектирование технических систем. М.: Машиностроение, 1986.

45. Джинкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1971.

46. Добрынин А.С. Фельдман М.С. Методы автоматизированного эксперимента в динамике машин М.: Наука, 1989.

47. Жовинский А.Н., Жовинский В.Н. Инженерный экспресс анализ случайных процессов. М.: Энергия, 1979.

48. Иориш Ю.И. Виброметрия. М.: Госнаучтехиздат, 1963.

49. Исакович М. А. Общая акустика. М.: Машиностроение, 1973.

50. Имитация и компенсация эксплуатационной вибрации. Под ред. Я.С. Урецкого.- М.: Машиностроение, 1996. 368с.

51. Интеллектуальные системы принятия проектных решений/ А.В. Алексеев, А.Н. Борисов, Э.Р. Вилюмс, Н.Н. Слядзь, С.А.Фомин. -Рига: Зинатне, 1997, 320 с. ил.

52. Испытательная техника : Справочник. В 2-х кн./ Под. Ред. В.В. Клюева. -М.: Машиностроение, 1982.

53. Карасев В.А., Максимов В. П., Сидоренко М.К. Вибрационная диагностика газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1973, 132с.155

54. Коллакот Р. А. Диагностирование механического оборудования. СПб.: 1980.

55. Кораблев С.С. Вибродиагностика механических систем. Рига: 1983.

56. Кренделла С. Случайные колебания. М.: Мир, 1967.

57. Коняев К. В. Спектральный анализ случайных процессов и полей, М.: Мир, 1968, 315 с.

58. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. М.: Машиностроение, 1983.

59. Марпл C.JI. (младший) Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990.

60. Мирский Г.Я. Аппаратное определение характеристик случайных процессов. М.: Энергия, 1972.

61. Мирский Г.Я. Характеристики стохастической взаимосвязи и их измерения. -М.: Энергоиздат, 1982, 320 с.:ил.

62. Мирский Г.Я. Радиоэлектронные измерения. М.: Энергия, 1975,-600 с.

63. Мелихов А. Н., Берштейн Л.С., Курейчик В. М. Применение графов для проектирования дискретных устройств, М.: Наука, 1974, 303 с.

64. Основы метрологии и электрических измерения: Учебник для вузов/ Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонов, Е.М. Душин и др.; Под ред. Ею.М. Душина. 6-изд., перер. И доп.- Л. Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1987.- 480 е.: ил.

65. Петровский А.А. Методы и микропроцессорные средства обработки широкополосных и быстропротекающих процессов. Минск.: Наука и техника, 1988.

66. Приборы и системы для измерения, шума и удара: Справочник. В 2-х кн.: Кн.1/Под. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1973,448 с.156

67. Приборы и системы для измерения, шума и удара: Справочник. В 2-х кн.: Кн.2/Под. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1973,439 с.

68. Петровский B.C. Анализ нестационарных акустических процессов. М.: Изд-во стандартов, 1987.224 е., ил.

69. Полляк Ю.Г. Вероятностное моделирование на электронных вычислительных машинах. М.: Сов. радио, 1971.

70. Попков В.И., Мышинский Э.Л., Попков О.И. Виброакустическая диагностика в судостроении. СПб.: 1983.

71. Попков В. И. Виброакустическая диагностика и снижение виброактивности судовых механизмов. Д.: Судостроение, 1974. 224 с.

72. Пространственно-временная обработка сигналов. И.Я. Кремер, А.И. Кремер и др. М.: Радио и связь, 1984.

73. Проспект фирмы «L-card», 2000г.

74. Рабинер JL, Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978. -343 с.

75. Румшинский JI.3. Математическая обработка результатов измерений. М.: Наука, 1971.

76. Соколова А.Г. Методы акустической диагностики зарождающихся эксплутационных дефектов механизмов. Рига: 1984.

77. Соколова А.Г. Методы и средства технической диагностики. М.: ЦНИИТЭИ, 1981. Вып.1.

78. Тольский В. Е. Виброакустика автомобиля. М.: Машиностроение, 1988. - 144 е.: ил.

79. Тихонов А.Н., Арсенин В. Ф. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1979. - 285 с.

80. Трахтман A.M. Введение в обобщенную спектральную теорию сигналов. М.: Сов. Радио, 1972. - 352с.157

81. Урецкий Я.С., Купершмидт П.В., Сайд А. Али. Определение динамических характеристик элементов конструкции машин и оборудования на основе экспериментально-расчетного метода. «Вибрации в технике», Курск, 1999, с.49-54.

82. Урецкий Я.С., Замирович В.В., Купершмидт П.В., Сайд А. Али. Виброиспытательный комплекс на основе одноточечных методов формирования спектров случайной вибрации. / Труды Международного симпозиума «Надежность и качество 2000», Пенза, 2000, с. 252-255.

83. Сайд А. Али, Замирович В.В., Купершмидт П.В., Урецкий Я.С. Анализ динамических характеристик конструктивных элементов в задачах вибродиагностики машин и оборудования. Международный симпозиум «Надежность и качество 2001», Пенза, 2001, с. 403-405.

84. Урецкий Я.С., Купершмидт П.В., Сайд А. Али и др. Способ определения передаточных характеристик элементов конструкции многоканальной виброзащитной системы. Патент РФ № 2168161, опубл. 27.05.2001, бюл.№ 15.

85. Урецкий Я.С., Купершмидт П.В., Сайд А. Али и др. Способ определения передаточных характеристик элементов конструкции многоканальной виброзащитной системы. Патент РФ № 2168162, опубл. 27.05.2001, бюл.№ 15.

86. Урецкий Я.С., Купершмидт П.В., Сайд А. Али и др. Способ формирования спектров случайной вибрации. Патент РФ № 2168159, опубл. 27.05.2001, бюл. № 15.

87. Урецкий Я.С., Купершмидт П.В., Сайд А. Али и др. Способ формирования спектров случайной вибрации. Патент РФ № 2168160, опубл. 27.05.2001, бюл. № 15.

88. Урецкий Я.С., Купершмидт П.В., Сайд А. Али и др. Способ определения частотных характеристик конструктивных элементов конструкции. Патент РФ № 2179304, опубл. 10.02.2002, бюлл. № 4.

89. Цветков Э.И. Основы теории статистических измерений. JL: Энергия, 1979.-233с.160