автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Трибометрическая установка с обратной связью в системе нагружения для исследования переходных процессов в режиме реального времени

На правах рукописи

Ткачёв Алексей Леонидович

ТРИБОМЕТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ В СИСТЕМЕ НАГРУЖЕНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Специальность: 05.11.01 - «Приборы и методы измерений по видам измерений (механических величин)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2010

004605478

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мусалимов Виктор Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Фадин Юрий Александрович

кандидат технических наук, доцент Третьяков Сергей Дмитриевич

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

морской технический университет

Защита состоится «15» июня 2010 г. в 15— часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.04 при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, ауд. 461.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ ИТМО.

Отзывы и замечания (в 2 экз.) по автореферату направлять по адресу университета: 197101, Санкт-Петербург, пр. Кронверкский, д. 49, Ученому секретарю диссертационного совета

Автореферат разослан «12» мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

к.т.н., доцент

Киселёв Сергей Степанович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Триботехнические испытания являются необходимым условием корректного оценивания качества трибосопряжения и их элементов.

Значительный вклад в теорию и практику расчегно-аналитических методов оценивания качества трибосопряжений внесли И.Г. Горячева, М.А. Галахов и другие. Расчетно-экспериментальным методам посвящены работы

A.B. Чинчинадзе, А.Г. Гинзбурга, Ю.А. Фадина и других. Актуальными являются направления исследований, связанные с созданием триботехнических комплексов, позволяющих осуществлять мониторинг качества трущихся поверхностей (Э.Д. Браун, Махутов H.A., Ю.А. Евдокимов, ЕА. Шведков,

B.М. Мусалимов и др.).

Из определенных достижений последних двух десятилетий следует отметить разработанную на кафедре Мехатроники СПбГУ ИТМО трибометрическую установку «ТРИБАЛ-2», которая позволяет определять трибологические свойства материалов, получать динамические характеристики узла трения и производить оценку качества трущихся поверхностей по этим характеристикам.

Улучшение метрологических характеристик этой системы может быть обеспечено, во-первых, плавностью и стабильностью режима нагружения независимо от изменения в процессе испытания коэффициента трения и величины износа, во-вторых, разработкой системы обратной связи. А реализация указанных пунктов даст возможность расширить подходы к идентификации трибологичсского процесса за счет включения дополнительной входной характеристики в структуру модели. Эта актуальная задача может быть решена с помощью средств современной электроники и микроэлектроники.

Цель диссертационной работы - разработка средств обратной связи трибометрической системы, методики проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных для получения динамических характеристик трибосопряжения с контролем процесса трения в режиме реального времени.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели рассмотрены следующие задачи:

• Исследование и выбор возможностей введения обратной связи в трибометрическую систему;

• Разработать алгоритмы ввода данных в систему;

• Разработать программное обеспечение для реализации алгоритмов управления и интерфейса взаимодействия оператора с установкой;

• Разработать методику обработки экспериментальных данных с учетом входов (сила нагружения и режим работы привода перемещения нижней платформы установки) и выходом (принудительное перемещение верхней платформы за счет фрикционного взаимодействия);

• Проведение тестовых экспериментов и анализ результатов.

С -

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способ организации обратной связи в контуре нагружения по разнице фаз и нагружению;

2. Способ получения информации о силе нагружения с помощью силоизмерительного датчика на основе механотрона;

3. Способ получения информации о разнице фаз возвратно-поступательного движения образцов;

4. Алгоритмы обработки данных и выработки управляющих воздействий;

5. Метод анализа экспериментальных данных.

Методы исследования. Теоретической основой применяемого метода анализа экспериментальных данных является теория автоматического управления, раздел - идентификация систем управления. Объект исследования - трибологическая система с обратной связью в контуре нагружения, который рассматривается в качестве системы управления с одним, либо двумя входами и одним выходом. Решение задачи идентификации производится средствами программного пакета М АТЬАВ.

Научная новизна. В ходе выполнения диссертационной работы исследована и реализована возможность введения обратной связи в контур нагружения трибометрической системы. Впервые получена возможность производить непрерывную оцифровку значения вертикальной составляющей силы, действующей в узле трения (силы нагружения) и осуществлять управление приводом нагружения в автоматическом режиме по значению силы или по разности фаз возвратно-поступательного движения образцов. Таким образом, решена проблема моделирования управляемого узла трения. Значение силы нагружения также позволило построить модель узла трения с двумя входами и одним выходом и исследовать ее динамические характеристики. Разработанное программное обеспечение с сервисным интерфейсом значительно упрощает работу оператора, предоставляет исчерпывающую информацию о ходе эксперимента, а также позволяет вносить изменения в законы управления.

Достоверность научных результатов, полученных в работе, обосновывается:

• применением современных средств измерений, внесенных в государственный реестр средств измерений;

• применением современных средств обработки данных;

• результатами испытаний, полученных с разработанной установки;

• корректным использованием аналитических методов теории автоматического регулирования, классических методов трибологии, а также широким использованием компьютерных технологий.

Практическая ценность работы. Работа выполнена в рамках программы Министерства образования и науки РФ «Научный потенциал высшей школы» по проекту ПНР 1.2.1/1147. Результаты проведенных в диссертационной работе исследований использовались в научно-производственном объединении

«Автоматизация машин и технологий», в ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт малых электрических машин», в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете. Материалы диссертационной работы использованы в практических занятиях учебной деятельности кафедры мехатроники СПбГУ ИТМО в дисциплине «Основы трибоники».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на IV, V, VI, VII межвузовской конференции молодых ученых (СПбГУ ИТМО 2007-2010 гг.); девятой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (ИПМаш РАН - СПбГУ ИТМО 2009 г.); на XXXIX научной учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО 2010г.; на семинарах в СПбГУ ИТМО 2007-2010 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 9-ти печатных работах, в том числе рецензированных ВАК журналах в 1-й печатной работе.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и 4 глав, списка литературы из 76 наименований и 3-х приложений. Она содержит 121 страницу машинописного текста, 13 страниц из которых приложения; 2 таблицы; 38 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

В первой главе описана история развития исследований материалов на трение и износ. Рассмотрен ряд отечественных и иностранных установок для испытания материалов на трение. Проведен анализ типов машин для испытания материалов на трение. Обоснована актуальность темы диссертации, дана оценка состояния проблемы, определены задачи исследований и разработок.

В настоящее время существуют различные устройства для испытания на трение, и методы проведения испытаний. Задачей данной работы являются разработка средств обратной связи трибометрической системы, методики проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных для получения динамических характеристик трибосопряжения с контролем процесса трения в режиме реального времени. В частности требуется:

• выбрать средства для контроля таких параметров, как сила нагружения и разность фаз возвратно-поступательного движения образцов;

• разработать электронную схему управления приводом нагружения, для изменения силы прижатия образцов программным способом;

• разработать алгоритмы преобразования данных с датчиков положения и нагружения;

• разработать алгоритмы для реализации обратной связи;

• разработать программное обеспечение с сервисным интерфейсом для работы с установкой.

Во второй главе рассмотрена трибосистема и средства для организации обратной связи в контуре нагружения для исследования переходных процессов в режиме реального времени. Ее конструкция представлена на рис. 1.

Устройство относится к области исследования трибологических свойств материалов. Оно состоит из механического, информационно-управляющего и измерительного блоков.

Механический блок включает в себя основание 1 на котором выполнены направляющие 2 для подвижных платформ с держателями образцов 3, катков 6, образцов и контробразцов 4. Образцы и контробразцы образуют пару трения. Держатели образцов выполнены съемными, что расширяет диапазон испытуемых элементов конструкций и материалов. Нижняя платформа приводится в возвратно-поступательное движение с помощью электропривода 11 через кривошипно-шатунный механизм 7. Верхняя платформа закреплена с помощью упругого подвеса 5, что позволяет ей совершать возвратно-поступательные движения при контакте образцов. Прижатие образцов производится за счет управления реверсивным электродвигателем 12, который через червячную передачу 9, воздействует на винтовой домкрат 8, который перемещает верхнюю направляющую.

Рис.1. Установка для исследования динамических характеристик трибопар

Измерительный блок предназначен для снятия механических характеристик и состоит из щупов 13, которые передают сигнал от платформ на датчики перемещения 14, закрепленные на стойке 10, а также динамометра 15. Последний представляет собой специальную упругую систему и механотрон. Динамометр установлен между домкратом и верхней направляющей, что позволяет непосредственно получать силу прижатия верхних образцов к нижним.

Информационно-управляющий блок позволяет управлять электроприводами установки, а также преобразовывать и обрабатывать информацию, поступающую от компонентов измерительного блока. Он состоит из блока управления установкой 16, модуля АЦП/ЦАП и цифрового ввода/вывода 17, а также компьютера 18 со специализированным программным обеспечением.

Устройство работает следующим образом. От двигателя 11 движение передается через кривошипно-ползунный механизм 7 к нижней платформе с держателями образцов 3, которая, в свою очередь, приводит в движение образцы 4. Вертикальная нагрузка на образцы создается винтовым домкратом 8, приводимым в движение реверсивным двигателем 12 через червячную передачу 9. Нагрузка передается через динамометр 15, показания которого через АЦП модуля ввода/вывода 17 вводятся в компьютер 18.

Управление реверсивным двигателем 12 осуществляется блоком управления 16. Сигнал управления А поступает с блока управления непосредственно на двигатель реверсивный электродвигатель 12. В случае управления нагружением с компьютера, цифровой сигнал управления Р7Ц поступает на модуль ввода/вывода 17, преобразуется в электрический сигнал Р2Э. Он передается на блок управления 16, где формирует сигнал Рз.

Так как верхняя платформа с держателями образцов, также как и нижняя имеет катки 6, она имеет возможность совершать возвратно-поступательное движение за счет сил трения между образцами. В результате движения платформ с держателями образцов 3 будут двигаться щупы 13 датчиков перемещения 14. Информация от них вводится в компьютер 18.

Сигналы с датчиков перемещения - оптико-механических присоединенных к верхней и нижней платформам, и динамометра - сило измерительного датчика на основе механотрона 6МХ1С, установленного между домкратом и верхней направляющей, через промежуточные преобразователи поступают на компьютер со специальным программным обеспечением. Оно позволяет, как наблюдать в реальном времени за сигналами, так и записывать в файлы для дальнейшей обработки их в различных прикладных программах, в том числе средствами пакета МАТЬАВ;

Механотрон 6МХ1С относится к типу сдвоенных диодных механотронов. Отличительными чертами данного типа являются: высокая чувствительность к перемещениям и силам, малые внутренние сопротивления, низкие значения питающих напряжений. Высокая чувствительность и маленький рабочий диапазон обеспечивают измерение сравнительно малых усилий (5 • 10"*-50 сН). Для измерения больших значений усилий использующийся механотронный силоизмерительный датчик снабжен дополнительными упругими элементами или упругими системами. В этом случае измеряемое усилие непосредственно воспринимается упругим элементом датчика, преобразуется им в линейное перемещение, которое определяется с помощью механотрона.

В диссертационной работе использован механотронноый силоизмерительный датчик с упругой системой рамного типа, разработанный

Берлиным Г.С., Иноземцевым В.В., Ростовцевым A.M., систематическая погрешность упругой системы которого не превышает 0,3%. Класс точности механотронного динамометра - 0,5-0,6.

Силоизмерительный датчик и новая электронная схема управления приводом нагружения позволили расширить возможности трибометрической системы, где кроме исследования динамических характеристик пар трения и оперативного контроля качества поверхности с применением обратной связи в контуре нагружения, возможно получение данные о координатах платформ, разнице фаз их возвратно-поступательного движения и значении нагружения в процессе проведения эксперимента. Тарировочная кривая механотронного датчика приведена на рис. 2. Технические характеристики установки сведены в табл.1.

э.

9.

9.

S 9. а)

8. 8. 8.

О 5 10 15 20 25 30

Сила нагружения (Н)

Рис. 2. Тарировочный график «усилие (Н) - напряжение (В)»

Таблица 1 - Технические характеристики установки «ТРИБАЛ-2»

Наименование характеристики, ед. изм. Значение

Вид движения возвратно-поступательное (плоскость-плоскость), испытания проводятся как со смазкой, так и без смазки

Диапазон перемещений, мм 0,1-25,0

Диапазон частот перемещений, Гц 2,0-5,0

Максимальный ход системы нагружения, мм 33,0

Используемое напряжение, В -220; 12; 6

Сила нагружения, Н 3-30

Габариты, мм 980x210x810

В третьей главе рассмотрены структурные схемы экспериментальной установки с обратной связью. Приведены способы ввода и обработки

аналоговых данных с датчиков. Описана техника работы с программным обеспечением (ПО) по трем схемам:

1. Ручное управление нагружением;

2. Автоматическое управление на1ружением по значению силы нагружения;

3. Автоматическое управление нагружением по значению разности фаз возвратно-поступательного движения образцов (Д(р).

Автоматическое управление нагружением по значению силы нагружения («?) подразумевает то, что перед началом эксперимента, оператор задает значение нагружения (и20) на узел трения, которое должно сохраняться в процессе работы установки. Во время работы установки у оператора отсутствует возможность управлять приводом нагружения, это осуществляется автоматически с помощью контура обратной связи (рис. 3).

На вход установки поступают два сигнала управления: УПП - управление приводом перемещения нижней платформы и УПН - управление приводом нагружения. На выходе: сила нагружения (и2) снимается датчиком силы (ДС) и преобразуются в электрический сигнал (и?эА координаты платформ (ииу) снимаются датчиками перемещения (ДП) и преобразуется в электрические импульсы (и1Э,у3). Электрические сигналы предварительно проходят преобразователи, где приводятся в цифровой вид (и1ц,и2и,уп), затем попадают

в компьютер. ПО производит обработку цифровых данных, вычисляет значение А(р, отображает полученную информацию на монитор (и1й,и2а,ув) и сохраняет ее в файл для последующей обработки.

Рис. 3. Автоматическое управление нагружением по значению силы нагружения или разности фаз

В контур обратной связи поступает информация о силе нагружения (кщ), где она сравнивается с заданным значением и2Я. Разница поступает в блок расчета управления и времени воздействия, где высчитывается цифровой сигнал управления (Рц). Средствами выходного преобразователя, цифровой сигнал преобразуется в электрический и поступает на установку.

При работе по данной схеме оператору не требуется непрерывно следить за ходом эксперимента и конгролировать, в каком режиме работает установка. Если заданная сила нагружения иго не является достаточной для испытуемых

образцов для перехода установки в режим «движения жесткого тела», контур обратной связи в автоматическом режиме обеспечивает режим работы «передачи движения трением».

Автоматическое управление нагружением по значению разности фаз (Д<р) по принципу работы походит на предыдущую схему представленную на рис. 3. Отличия заключаются в том, что перед началом эксперимента оператор задает не значение нагружения, а значение Лф0. Таким образом, в контур обратной связи попадает текущее значение где оно сравнивается с заданным значением и в блок расчета управления и времени воздействия идет их разница.

Режим обратной связи по Д<р не реализован ни на одной известной машине трения, что добавляет еще одну уникальную возможность установке для проведения экспериментов. В случае автоматического контроля Аср также отсутствует необходимость непрерывного контроля эксперимента оператором и исчезает надобность проведения дополнительных запусков с целью определения возможных значений силы нагружения для непрерывной работы установки в режиме «передачи движения трением».

В четвертой главе описаны средства идентификации трибологических процессов средствами MATLAB. Приведена методика обработки экспериментальных данных на основе наблюдаемых входных и выходных данных. А также представлены способы моделирования процесса трения.

Целью задачи идентификации является определение вида оператора связывающего входной и выходной сигналы на основании наблюдений за входным и и выходным у сигналами на каком-то интервале времени.

В данной работе для целей идентификации выбрано представление модели в пространстве состояний:

х = Ах + Ви

г, .где у-Сх

А - матрица коэффициентов в пространстве состояния; В - матрица коэффициентов управления; С - матрица коэффициентов наблюдателя.

Для рассматриваемого случая модель имеет следующий вид: x(t + Ts) = A■ x(t) + B-u(t) + K- e(t)

y(t) = C-x(t) + e(t)

К - матрица шумов.

Таким образом, для модели второго порядка получаются матрицы вида:

А =

X, х2

X, 0 1

л, -0,36468 1,1042

, В =

«, и2

-0,045559 0,49215 -0,0047745 0,099018

с =

j, 1 о

, К =

УI

л, 1,3754 х2 1,527

Из матрицы коэффициентов видно, что коэффициент демпфирования п равен 0,77, а частота собственных колебаний а равна 0,654 рад!с.

Для определения коэффициента демпфирования и частоты собственных колебаний также используется команда MATLAB "damp". Для модели четвертого порядка п = 0,0715, а и -0,583 рад!с.

На рис.4 представлено сравнение выходных данных, полученных с установки, и выходов построенных моделей второго и четвертого порядка с двумя входами и одним выходом.

Оценка адекватности модели рассчитывалась по формуле:

norm(yh-y) fit =г где

jlength(y)

yh - выход модели,

у - реальный выход,

norm - обозначение нормы вектора,

length - функция получения количества элементов вектора.

(sim)

Рис. 4. Сравнение исходных данных (г2) и моделей с двумя входами и одним выходом второго (1112) и четвертого (&3) порядков.

Также получены динамические характеристики. Импульсные, амплитудочастотные и фазочастотные характеристики моделей, представленных на рис. 4, приведены на рис. 5-6.

„2-'-1- -1-J- -1-1- -2-1-1. -i-i_ _i_i—

0 S 10 15 0 5 10 15 D 5 10 15 0 50 100 0 SO 100 0 50 100

Time (sec)

Рис. 5. Импульсные характеристики моделей с двумя входами и одним выходом второго порядка (слева) и четвертого порядка (справа).

From: ul

Ui £ ^

-90

1: 1:

К-\

. __

Bode Diagran Fron: u2

Fron; vßyl

10

10

10 10 10 Fre<fiency (rad/sec)

10

Рис. 6. Амплитудночастотные (сверху) и фазочастотные (снизу) характеристики моделей с двумя входами и одним выходом второго и четвертого порядка.

На рис. 7 приведены графики автокорреляционной функции (АКФ) для этих моделей.

Рис. 7. АКФ моделей с двумя входами и одним выходом второго (сверху) и четвертого (снизу) порядков.

Основные результаты работы:

1. В диссертационной работе исследованы и разработаны средства обратной связи трибометрической системы.

2. Показано, что в качестве датчика силового нагружения целесообразно использовать датчик силы на основе механотрона 6МХ1 С.

3. Приведена новая электронная схема управления электроприводом нагружения.

4. Предложен способ организации взаимодействия компьютера и установки с помощью внешнего модуля ввода/вывода Л-КАРД Е14-440.

5. Разработано программное обеспечение для реализации алгоритмов управления и интерфейса взаимодействия оператора с установкой.

6. Показано, что в контуре обратной связи, контролируемым параметром может быть как сила нагружения, так и сдвиг фаз колебаний платформ Аф, а управляющим параметром в том и другом случае может выступать сила нагружения.

7. Идентификация процесса трибовзаимодействия подготовленных образцов показала, что, для системы с двумя входами для моделей второго и четвертого порядков, автокорреляционная функция не имеет качественных отличий, а графики импульсных характеристик указывают на целесообразность использования физической модели второго порядка.

Публикации по теме диссертации.

В изданиях из перечня ВАК

1. Заморуев Г.Б., Ткачёв A.JI. Математическое моделирование нелинейных динамических эффектов при медленном движении с сухим трением // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2010 г., Том 53, №5.-С. 36-40.

Прочие публикации

2. Патент РФ на полезную модель, кл. G01N19/02 (2006.01), Устройство для испытания материалов на трение / Исмаилов Г.М., Мусалимов В.М., Овсеев Н.Ю., Ткачёв A.JL, Саркисов Д.Ю., Ершов Д.В. Заявка №2010103655 от 03.02.2010.

3. ТуркинИ.И., Ткачёв A.JI. Создание информационно-управляющего комплекса для мехатронных систем // Девятая сессия международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов». Сборник трудов (Электронное издание). СПб.: ИПМАШ РАН, 2009. Регистрационное свидетельство №18020 от 21.12.2009, номер государственной регистрации 0320902657. С. 254-257.

4. Мусалимов В.М., Сизова A.A., Иванов Е.К., Крылов H.A., Ткачёв А.Л. Основы трибоники. Учебное пособие. - С-Пб: СПбГУ ИТМО. 2009, 77 с.

5. Ткачёв А.Л. Трибометрическая установка с обратной связью в системе нагружения для исследования переходных процессов в режиме реального времени // Сборник тезисов докладов VII конференции молодых ученых. Выпуск 3 (Электронное издание). - СПб.: СПбГУ ЙТМО, 2010.-с. 148-149.

6. Родинков С.А., Ткачёв А.Л. Организация обратной связи трибосистемы «Трибал-2». // Сборник трудов конференции молодых ученых. Выпуск 2. Биомедецинские технологии, механика и робототехника, СПбГУ ИТМО, 2009. С. 190-192.

7. Ткачёв А.Л. Классификация акустических датчиков // Научно-технических вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 37. Современная физика. Труды молодых ученых. / Гл. ред. д.т.н., проф. В.Н. Васильев — СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. С. 328-332.

8. Ткачёв А.Л., Родинков С.А. Задачи акустометрии // Программа и тезисы докладов Восьмой сессии Международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» VPB-07, Санкт-Петербург, 22-27 октября 2007 года. — СПб.: ИПМаш РАН, 2007.

9. Ткачёв А.Л. Влияние температурных эффектов на характеристики микроакустических датчиков на поверхностных и объемных акустических волнах // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 48. Труды молодых ученых. СПб, 15-18 апреля 2008 года — СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. С. 42-48.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 тел. (812) 233 46 69 объем 1 пл. Тираж 100 экз.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1 Технические устройства для испытания на трение.

1.2 Проблемы испытательной техники.

1.3 Выводы.;.

ГЛАВА 2. КОМПЬЮТЕРНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

ТРИБОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ.

2.1 Общая конструкция устройства.

2.2 Схема нагружения.

2.3 Привод и управление амплитудами и частотами перемещения.

2.4 Регистрация сигналов и датчики перемещения и нагружения.

2.5 Модуль АЦП/ЦАП и цифрового ввода/вывода.

2.6 Выводы.

ГЛАВА 3. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ НА УСТАНОВКЕ «ТРИБАЛ-2».

3.1 Структурные схемы работы установки.

3.2 Преобразование данных с датчиков.

3.3 Система управления.

3.4 Работа с программным обеспечением.

3.5 Калибровка датчика нагружения и проведение эксперимента.

3.6 Выводы.

ГЛАВА 4. ИДЕНТИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ТРИБОЛОГИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.

4.1 Идентификация динамических систем.

4.2 Идентификация динамических систем средствами пакета MATLAB.

4.3 Узел трения как объект автоматического управления.

4.3.1 Моделирование объекта с одним входом и одним выходом.

4.3.2 Моделирование объекта с двумя входами и одним выходом.

4.4 Физическое моделирование процессов трения.

4.4.1 Линейная модель.

4.4.2 Нелинейная модель.

4.5 Выводы.

Начало целенаправленного изучения законов трения приписывают Леонардо да Винчи [6]. В процессе своих исследований он обнаружил, что существует соотношение между нагрузкой и силой трения. Он также определил первые законы сухого трения, суть которых в следующем:

• Сила трения прямо пропорциональна нагрузке.

• Сила трения не зависит от видимой (номинальной) площади контакта.

• Сила трения не зависит от скорости скольжения.

В дальнейшем, фундаментальные основы науки о трении и изнашивании получили развитие в работах многих известных ученых. Ключевые даты приведены в таблице П1 (приложение 1).

Наиболее актуальными инженерно-техническими проблемами в триботехнике на сегодняшний день являются следующие:

1. создание «безызносных» узлов трения машин;

2. совершенствование смазывания деталей сочленений;

3. разработка методов расчета деталей на износ;

4. разработка методов финишной обработки трущихся деталей;

5. необычные условия работы машин и приборов;

6. компьютерная трибология.

7. разработка новой теории трения и безызносности;

8. триботехника, интересы здоровья и защиты окружающей среды.

До последнего времени генеральным направлением по борьбе с изнашиванием в машиностроении было повышение твердости трущихся поверхностей детали. В промышленности разработано большое количество методов повышения твердости деталей (хромирование, азотирование, цементирование и т. д.). Многолетний опыт свидетельствует, что это направление позволило в большей степени повысить надежность трущихся деталей машин. Однако постоянное стремление к уменьшению массы машин и повышению интенсификации рабочих процессов привело к увеличению давлений в узлах машин и скоростей скольжения и ухудшило условия смазывания. Кроме того, требования к повышению КПД механизмов, а также применение специальных смазочных материалов и жидкостей привело к тому, что традиционные методы увеличения износостойкости [40] деталей повышением их твердости во многих случаях перестали себя оправдывать. В процессе поиска средств увеличения износостойкости деталей машин в нашей стране открыт избирательный перенос при трении. Избирательный перенос (ИП) -это комплекс физико-химических явлений на контакте поверхностей при трении, который позволяет преодолеть ограниченность ресурса трущихся сочленений машин й снизить потери на трение. ИП есть особый вид трения, который обусловлен самопроизвольным образованием в зоне контакта не-окисляющейся тонкой металлической пленки с низким сопротивлением сдвигу и неспособной наклёпываться. На пленке образуется в свою очередь полимерная пленка, которая создает дополнительный антифрикционный слой. ИП, его системы снижения износа и трения (системы СИТ), разработанные А. А. Поляковым, не вытекают из ранее имевшихся представлений о трении и изнашивании. Процессы, составляющие сущность ИП, находятся на стыках разделов химии, физической химии, физики, синергетики и механики. Сложность ИП состоит также в том, что ряд его химических и физических процессов не встречался в практике исследований трения. Большинство химических реакций ИП являются гетерогенными, поэтому их изучение затруднено.

Исследование механизма ИП, его закономерностей и областей рационального применения привело к некоторому изменению установившихся ранее взглядов на ряд вопросов триботехники: структуру и свойства тонких поверхностных слоев трущихся деталей машин, механизм изнашивания и смазочного действия, пути создания смазочных материалов и присадок к ним, оптимальную структуру и свойства износостойких и антифрикционных материалов и приработочных покрытий и т. д.

Необходимо отметить, что сейчас в триботехнике ясно проступают черты новой концепции трения, основанной на глубокой теоретической проработке раздела физики - термодинамики образования самоорганизующихся структур при необратимых процессах. Разработка этой теории, а также дальнейшее развитие работ по созданию практически неизнашиваемых узлов трения машин, оборудования и приборов с использованием ИП — одни из важнейших проблем современной триботехники.

Как известно, износостойкость зависит от окончательной (финишной) технологической обработки поверхностей деталей. Имеются обширные экспериментальные исследования по влиянию шероховатости поверхностей трения на интенсивность изнашивания деталей. Установлено, что от финишной обработки деталей зависит не только первоначальный (приработочный) износ, но и установившийся износ. В последние годы разработаны новые технологические процессы финишной обработки деталей, которые позволяют снизить приработочный износ деталей и повысить антифрикционные свойства сочленения (улучшить смазку деталей, снизить коэффициент трения). К таким методам можно отнести вибрационную обработку поверхностей трения и алмазное выглаживание. Однако триботехники считают, что использованы еще не все резервы повышения износостойкости деталей в части применения новых финишных обработок.

Необычные и напряженные условия все чаще заставляют создателей новой техники пересматривать традиционные, сложившиеся в течение многих лет принципы разработки узлов трения и основанные на них конструкторские решения.

Будучи междисциплинарной наукой, трибология требует применения системных моделей, информационных систем по разным разделам трибологии, трансляторов, соединяющих эти разделы, экспертных систем для проектирования и диагностики [46]. Имеется необходимость более эффективного использования информации, получаемой при исследовании трибологических процессов. Диагностические системы в значительной мере сами базируются на слиянии компьютерных технологий и знании механизмов трибологиче-ских процессов [61, 71, 73, 76].

Компьютеры позволяют проводить моделирование трибологических процессов [48, 49, 70, 74]. Модель сложной трибосистемы также требует для своего создания и использования специфического «компьютерного мышления», так как представляет собой программный комплекс. Опыт создания моделей сложных трибосистем позволил сделать ряд выводов, выявить недостатки и сформулировать направления дальнейшего развития.

Свое дальнейшее развитие получила и компьютерная технология проектирования узлов трения. На этапе анализа здесь предлагается использовать интерпретаторы - экспертные системы. На этапе синтеза используются гибридные экспертные системы, которые содержат модели работы узла, базы знаний по данным разделам и систему правил. Фактически, требуется продолжить работу по информационным системам в области трибологии на новом уровне развития аппаратных, программных средств и систем коммуникации с учетом имеющегося опыта и проделанной работы специалистов. Большое значение в трибологии имеет также теледиагностика, причем задачей компьютерной трибологии здесь является содержательная часть создания системы.

Компьютеры являются также и неотъемлемой частью системы экспериментальных трибологических исследований в современных испытательных установках. Их задача состоит в контроле и управлении режимом эксперимента, регистрации измеряемых параметров, обработке результатов. Задачей, относящейся к области компьютерной трибологии, является поиск режимов, при которых реализуются заданные свойства трибосистемы, что достигается встраиванием в управление испытательной системой программы моделирования исследуемого процесса, ряд параметров которой задается из эксперимента, а также заданием критериев поиска. Для реализации этой идеи в масштабах отрасли предстоит проделать большую работу.

При моделировании, компьютерном эксперименте, в системах диагностики и мониторинга имеется общая проблема интерпретации результатов. Как известно, визуализация информации позволяет интенсифицировать процесс познания человека, подключив интуитивные способности исследователя. Это достигается с помощью специальных средств компьютерной графики. Применение технологии виртуально-интуитивного извлечения информации позволит при моделировании и эксперименте более эффективно выявлять новые трибологические эффекты и явления.

Трибологические исследования на кафедре Мехатроники СПбГУ ИТМО начались с экспериментальных исследований надежности кабельных конструкций. Первые исследования в данной области были проведены конце 80-х и начале 90-х годов [1, 2, 3]. На основе аналогов было разработано устройство для испытания материалов на трение, которое имитировало условие взаимодействия элементов гибких кабелей [4, 41, 42], приближенное к реальным условиям. Держатели образцов обеспечивали расположение элементов аналогичное их расположению относительно друг друга в самом кабеле, учитывая при этом тип кабеля и количество токопроводящих жил в нем.

Устройство было снабжено аналоговой регистрирующей аппаратурой, куда подавались сигналы от двух датчиков. Первый датчик измерял усилие взаимодействия F между элементами, другой - перемещение нижнего образца А.

При одновременной работе двух датчиков получались диаграммы F-А , а при отключении одного из них можно получить закон изменения скорости, перемещения и силы во времени. Все эти диаграммы снимались с осциллографа на бумажный носитель и затем подвергались обработке. Основной задачей при обработке экспериментальных данных являлось определение коэффициентов демпфирования трибологической системы.

Экспериментальная база для испытания трибологических пар элементов кабельных конструкций позволяла создавать окна свободных затухающих колебаний и соответственно получать экспериментальные данные для вычисления характеристик упругости [30, 36], пластичности и вязкости трибо-логических пар, в том числе в критических точках.

Методика позволяла оценить значения коэффициентов демпфирования и точности их определения для любых типов, исследуемых кабелей.

Далее были доработаны методика проведения трибологического эксперимента и алгоритмы обработки экспериментальных данных. Была поставлена задача: контролировать процесс проведения эксперимента в автоматическом режиме. Здесь решение проблемы разработки средств обратной связи трибометрической системы определилось постановкой следующих задач:

• Выбором средств обратной связи;

• Разработкой алгоритмов обработки и ввода данных в систему;

• Разработкой программного обеспечения для реализации алгоритмов управления и взаимодействия оператора с установкой.

4.5 Выводы

Разработана методика обработки экспериментальных данных. Осуществлена идентификация трибовзаимодействия образцов выполненных из сплава JI 66, при этом осуществлялось трехточечное контактирование в процессе 40 минут.

Показано, что для рассмотренного случая, автокорреляционные функции моделей с двумя входами и одним выходом второго и четвертого порядков не имеет качественных отличий, но при анализе импульсной характеристики у модели четвертого порядка колебательный процесс проявлялся более ярко. Таким образом, можно говорить о том, что в этом случае более целесообразно использовать физическую модель второго порядка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертационной работе исследованы и разработаны средства обратной связи трибометрической системы «ТРИБАЛ-2».

2. Доказано, что в качестве датчика силового нагружения целесообразно использовать датчик силы на основе механотрона 6МХ1С класса точности 0,6. Используемый диапазон усилий находится на линейном участке тарировочного графика.

3. Разработана новая электронная схема управления электроприводом нагружения, которая позволяет осуществлять управление как с помощью кнопок, находящихся на блоке управления, так и с помощью электрических сигналов.

4. Предложен способ организации взаимодействия компьютера и установки с помощью внешнего модуля ввода/вывода Л-КАРД Е14-440.

5. Разработано программное обеспечение для реализации алгоритмов управления и интерфейса взаимодействия оператора с установкой.

6. Разработана методика проведения экспериментов с использованием возможностей нового программного обеспечения.

7. Доказано, что в контуре обратной связи, контролируемым параметром может быть как сила нагружения, так и разница фаз возвратно-поступательного движения А(р платформ, а управляющим параметром в том и другом случае может выступать сила нагружения.

8. Идентификация процесса трибовзаимодействия подготовленных образцов показала, что, для системы с двумя входами для моделей второго и четвертого порядков, автокорреляционная функция не имеет качественных отличий, а полученные графики указывают на целесообразность использования физической модели второго порядка.

1. А.С. № 1173232 СССР, Стенд для динамических испытаний кабеля / В.М. Мусалимов. Опубл. 1985, №30.

2. А.С. № 1278671 СССР, Устройство для испытаний гибких образцов на усталость./В.М. Мусалимов. Опубл. 1986, №46.

3. А.С. №1397796 СССР . Устройство для испытаний на изгиб образцов кабельных изделий / Шиянов Опубл. 1988, №19.

4. А.С. №1821689 СССР, G01N19/02. Устройство для испытаний материалов на трение / Г.М. Исмаилов, Б.В. Соханев, В.М. Мусалимов, В.Д. Шиянов Опубл. 15.06.1993.

5. Алексеев А. А. Идентификация и диагностика систем: учеб. для студ. высш. учеб. заведений / А.А. Алексеев, Ю.А. Кораблев,

6. М.Ю. Шестопалов . М.: Издательский центр «Академия», 2009 г. -352 с.

7. Анцелович Е.С. Леонардо да Винчи: Элементы физики. М.: Учпедгиз, 1955 -С. 87.

8. Аршанский М.М. Мехатроника: Учеб. пособие / М.М. Аршанский. -М.:МГАПИ, 1996 г. 86 с.

9. Балабанов В.И. Трибология для всех / В.И. Балабанов, В.И. Беклемишев, Н.И. Махонин. М.:Изумруд, 2002. - 208 с.

10. Басараб М.А., Кравченко В.Ф., Матвеев В.А. Математическое моделирование физических процессов в гироскопии. М.Радиотехника, 2005 г. - 176 с.

11. Берлин Г.С. Механотроны. М.: Радио и связь, 1984 г. 247 с.

12. Берлин Г.С., Розентул С.А. Механотронные преобразователи и их применение. М.: Энергия, 1974. - 240 с.

13. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2003. - 567 с.

14. Благодарный В.М. Ускоренные испытания приборных зубчатых приводов. М.: Машиностроение, 1980. - 112 с.

15. Богданович П.Н., Прушак В.Я. Трение и износ в машинах: учеб. для вузов. Мн. Выш. школа, 1999. - 374 с.

16. Браун, Э.Д. Моделирование трения и изнашивания в машинах / Э.Д. Браун, Ю.А. Евдокимов, А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 1982.- 191 с.

17. Бутенин Н.В., Фуфаев Н.А. Введение в аналитическую механику. М.:Наука, 1991.-256 с.

18. Войнов К.Н. Надежность вагонов. М.: Транспорт 1989 г. 110 с.

19. Войнов К.Н. Прогнозирование надежности механических систем. JI.: Машиностроение, 1978 г. 208 с.

20. Ганевский Г.М. Допуски, посадки и технические измерения в машиностроении : учебник для нач. проф. образования / Г.М. Ганевский, И.И. Голдин. М.: Профиздат ИРПО, 2001. - 288 с.

21. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.Машиностроение, 1985. - 424 с.

22. Гарманов А.В. Подключение измерительных приборов. Решение проблем электросовместимости и помехозащиты на примере продукции Л-КАРД. // Москва, L-Card, 2003 г. 39 с.

23. Голего, Н.Л. Схемы и динамические модели машин для триботехни-ческих испытаний / Н.Л. Голего, В.А. Козаков // Трение и износ, 1980 г., Т. 1, №2 С. 334-340.

24. Гончарский Л.А. Электронно-механические датчики / Т. LXI, вып. 2 Успехи Физических Наук, 1957. — С. 277-302.

25. Дьяконов В., Абраменкова И. MATLAB. Обработка сигналов и изображений СПб.:Питер, 2002. - 608с.

26. Заморуев Г.Б., Ткачёв А.Л. Математическое моделирование нелинейных динамических эффектов при медленном движении с сухим трением // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2010 г., Том 53, №5. -С. 36-40.

27. Земсков Ю.В. Qt 4 на примерах. СПб.: «БХВ-Петербург», 2008. -608 с.

28. Ильюшин А.А. Пластичность. М.: Гостехиздат, 1948 г. 220 с.

29. Исследование циклического износа элементов кабельных конструкций: Автореф. канд. тех. наук / Исмаилов Г.М.; Томск, 1993. 21 с.

30. Карпенко Г.Н., Берлин Г.С., Барсуков И.И. Применение механотрон-ной техники в медико-биологических исследованиях Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1991. - 184 с.

31. Колчин Н.И. Механика машин. Том 2, «Машиностроение», Л.: Издательство «Машиностроение Ленинград», 1972 г. - 456 с.

32. Крагельский И.В. Трение и износ. М.:Машинострение, 1968. -480 с.

33. Крагельский И.В., Щедров B.C. Развитие науки о трении (сухое трение). М.: Изд-во АН СССР, 1956. 235 с.

34. Мусалимов В.М. Динамика фрикционного взаимодействия / В.М. Мусалимов, В .А. Валетов. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. - 191 с.

35. Мусалимов В.М., Сапожков М.А. Трибологическая пара как объект автоматического управления// Вестник III межвузовской конференции молодых учёных. Сборник научных трудов, ИТМО, СПб 2006 -С. 35.

36. Мусалимов В.М., Сизова А.А., Иванов Е.К., Крылов Н.А., Ткачёв A.JI. Основы трибоники. Учебное пособие. — С-Пб: СПбГУ ИТМО. 2009, 77 с.

37. Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трение, смазка, износ. Физические основы и технические приложения трибологии. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2007. - 368 с.

38. Патент-2289119 RU, Кл. G01N19/02, G01N3/56 Устройство для испытания материалов на трение./ Г.М. Исмаилов, В.М. Мусалимов, Б.В. Соханев, М.А. Сапожков, М.А. Лобачева, А.А. Никифоров Опублик.: 10.12.2006.

39. Патент 54188 RU, Кл. G01N19/02, G01N3/56 Устройство для испытания материалов на трение. / Г.М. Исмаилов, В.В. Клычков, В.М. Мусалимов, М.А.Сапожков, В.А. Тучин; Опубл.: 10.06.2006.

40. Патент №467244 SU, Кл. GO 1L1 /14 Механотронный динамометр / Берлин Г.С., Иноземцев В.В., Ростовцев A.M.; Опубл.: 15.04.1975.

41. Патент №662830 SU, Кл. GO 1L1/14 Силоизмерительный датчик. / Берлин Г.С., Ростовцев A.M., Алавердов В.Р., Маштакова Г.В.; Опубл. 15.05.1979.

42. Патент -№2244290 RU, GO IN 19/02. Устройство для испытаний материалов на трение / В.М. Мусалимов, Г.М. Исмаилов, А.Д. Анике-енко, М.П. Ларичкин, Ю.А. Власов; Опубл. 10.01.2005 г.

43. Пекошевски, В. Системный анализ методологии трибологических испытаний конструкционных материалов / В. Пекошевски, В. Потеха, М. Щерек, М. Вишневски // Трение и износ. 1996 г., Т. 17, №2 -С. 178-186.

44. Пинчук Л.С. Основы конструирования машин. Основы трибологии. Учебное пособие для студентов машиностроительных вузов. Гомель.: ГПИ им. П.О. Сухого, 1996. 79 с.

45. Родинков С.А., Ткачёв А.Л. Организация обратной связи трибоси-стемы «Трибал-2». // Сборник трудов конференции молодых ученых. Выпуск 2. Биомедецинские технологии, механика и робототехника; СПбГУ ИТМО, 2009. С. 190-192.

46. Сапожков М.А. Устройство для исследования динамических характеристик трибопар.// Третья студенческая научно-учебная конференция «Моделирование явлений в технических и гуманитарных науках». СПбГМТУ, 2006. С. 43-45.

47. Силин А.А. Трение и его роль в развитии техники. М.: Наука, 1983. -43с.

48. Стефенс Д.Р. С++. Сборник рецептов. КУДИЦ-ПРЕСС, 2007. - 624 с.

49. Страуструп Б. Язык программирования С++. Специальное издание — М.: Бином-Пресс, 2007. 1104 с.

50. Трибология: Исследования и приложения: опыт США и стран СНГ / Под ред. А.В. Белого, К. Лудемы, Н.К. Мышкина. М.: Машиностроение; Нью-Йорк: Алертон Пресс, 1993. — 454 с.

51. Устройство для исследования динамических характеристик и оперативного контроля качества трущихся поверхностей: Автореф. канд. тех. наук / Сапожков М.А.; СПбГУ ИТМО. СПб, 2009. - 16 с.

52. Фадин Ю.А. Взаимосвязь износа и энергозатрат при трении металлов в отсутствие смазочного материала / Ю.А. Фадин, В.П. Булатов, О.Ф. Кириенко // Трение и износ. 2002. Т.23. №5 С. 566-570.

53. Фадин Ю.А. Динамика разрушения поверхности при сухом трении / Ю.А. Фадин // Письма в ЖТФ. 1997. Т.23. № 15 С. 75-78.

54. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. М.; Энегроатомиздат, 1990. - 320 с.

55. Фузеев А.В. Трение опор приборов при вибрации. Саратов: СГТУ, 1973.- 127с.

56. Хан X. Теория упругости / X. Хан. М.: Мир. 1988. - 320 с.

57. Циклическое ударно-фрикционное взаимодействие чеканочного инструмента с монетной заготовкой: Автореф. канд. тех. наук / Орлов С.В.; СПбГУ ИТМО. СПб, 2007. - 20 с.

58. Чичинадзе А.В., Берлинер Э.М., Браун Э.Д. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника); Под ред. А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 2003. - 575 с.

59. Шамберов В.Н. Метод аналитического исследования влияния сухого трения на поведение авторегулируемых динамических систем // Науч. приборостроение. 2003. Т. 13., № 3 С. 77-83.

60. Шамберов В.Н. Фрикционные автоколебания в механических системах // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2010 г., Том 53, №21. С. 24-28.

61. Шлее М. Qt 4: Профессиональное программирование на С++. СПб.: «БХВ-Петербург», 2007. - 880 с.

62. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. JI: Энергия 1969. -375с.

63. Juanqin Gong. A Portable Apparatus for Friction Measurement and the Frictional Characteristics of Human Skin // Proceedings of the 7th EUROMECH Solid Mechanics Conference, September 7-11, 2009. P. 898.

64. Ken'ichi Hiratsuka, Martin Dienwiebel, Matthias Scherge. In-Situ Observation and On-Line Monitoring of Wear Processes // Proceedings of the 7th EUROMECH Solid Mechanics Conference, September 7-11, 2009. -P. 284.

65. Michael Raous, Gianpiero Del Piero A unified model for adhesive interfaces with damage, viscosity and friction. // Proceedings of the 7th EUROMECH Solid Mechanics Conference, September 7-11, 2009.1. P. 85-86.

66. Myo Minn Sujeet K. Sinha. The Surface Energy Effects on Static Friction for Soft and Hard Materials at Low Loads // Proceedings of the 7th EUROMECH Solid Mechanics Conference, September 7-11, 2009. P. 933.

67. Steve E. Franklin, Philips Applied. Friction Behaviour of Textured Silicone Rubber against Human Skin // Proceedings of the 7th EUROMECH Solid Mechanics Conference, September 7-11, 2009. P. 896.

68. Werner Stehr. The Influence of Adhesive Friction under Extreme Low Pressure and Sliding Speed Conditions // Proceedings of the 7th EUROMECH Solid Mechanics Conference, September 7-11, 2009. P. 873.

69. Xufeng Jiang, Feng Ji, Zhenhui Qiu, Ying Zong. Research on Direct • Reading Ferrography for Aero-Engine Wear Condition Monitoring // Proceedings of the 7th EUROMECH Solid Mechanics Conference, September 7-11, 2009. P. 373.

70. Yong-Bok Lee, Sang-Hwa Lee, Seung-Jong Kim. Vibration Control and Low Power Consumption of the Combined Smart Bearings // Proceedings of the 7th EUROMECH Solid Mechanics Conference, September 7-11, 2009. P. 348