Разработка методов динамической диагностики состояния узлов трения в роторных системах

Поиск неисправностей механических систем, оценка возможности её выхода из строя, а так же контроль за качественными показателями осуществления операций технологического процесса, использующих сложное механическое оборудование, снижение шумности агрегатов, увеличение долговечности, надежности, износостойкости являются общими требованиями, связанными с развитием машиностроения и приборостроения. Немаловажную роль в этом вопросе играет задача динамического мониторинга подшипниковых узлов. Возможность безразборного диагностирования узлов сопряжения при этом приобретает особое значение.

Одним из способов, позволяющих решить данную задачу, является применение вибродиагностических методов. Существуют исследования в области вибротехнической диагностики. Это работы К. Н. Явленского, А.К. Явленско-го, Э. Л. Айрапетова, А. Ширмана, К. М. Рагульскиса, А. Ю. Юркаускаса и других. Суть вибродиагностического подхода заключается в использовании вибрационных характеристик и акустических шумов, генерируемых диагностируемыми узлами. Возможность оценки работоспособности подшипниковых узлов по параметрам вибрации основывается на том факте, что вибросигнал работающего подшипника несет в себе достаточно большое количество информации, косвенным образом отражающей его текущее состояние. Очевидно, что для эффективного использования измеряемого вибрационного сигнала, независимо от его природы, в программах осуществляющих контроль состояния оборудования, либо же косвенную оценку качества, необходимы методы, позволяющие осуществить выделение полезной информации из вибросигнала.

Таким образом, решение задачи динамического мониторинга подшипниковых узлов может быть достигнуто посредством выполнения следующих пунктов:

1. измерение виброакустического сигнала;

2. выделение информативной составляющей из виброакустического сигнала,.

3. анализ полученных данных и осуществление требуемых оценок.

Однако, известные работы не раскрывают внутренних механизмов формирования и развития дефектов, а анализируют диагностируемую систему скорее с позиции, так называемого, черного ящика. Принципиальным отличием диссертационного исследования является раскрытие механизмов формирования вибрационных характеристик по мере развития дефектов и разработка практического алгоритма диагностирования подшипниковых узлов для случая низкоскоростных подшипников скольжения.

Для реализации второго пункта предлагается алгоритм обработки вибрационного сигнала, позволяющий выделить информационную составляющую. К основным требованиям, предъявляемым к подобным алгоритмам, можно отнести требование достижения максимально возможного соотношения — полезный сигнал/шум1 при минимальных искажениях первого, а так же требование к его простоте и быстродействию, что позволит произвести его аппаратную реализацию без излишних затрат. Несложно предположить2, что предлагаемый метод в силу линейности, а так же в силу своих очевидных свойств удовлетворяет указанным требованиям.

Реализация третьего пункта предполагает разработку математической модели диагностируемой трибосистемы. Подобная модель позволит произвести расчет динамических характеристик подшипникового узла в различных эксплуатационных режимах, а также определить влияние тех или иных дефектов подшипника на измеряемые вибрационные последовательности и тем самым сформировать ряд критериальных параметров. Подобный подход позволяет сократить время и расходы, связанные с формированием критериальных параметров лишь на основе эмпирических данных, однако не заменяет его полностью.

ХВ данном случае под шумом понимается не-информативная составляющая присутствующая в вибросигнале, которая может носить как стохастический характер так и быть детерминированной.

2Более подробно эти вопросы будут освещены в соответствующих разделах данной работы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе экспериментальной динамики предложены методы изучения свойств трибоконтакта как динамической связи объединяющей взаимодействующие объекты в единую систему. Предложенные на этой основе уравнения связей, а также их параметрическая идентификация позволили раскрыть наиболее важные особенности этой связи, заключающиеся в нелинейной зависимости нормальной и тангенциальной сил от сближения контактирующих поверхностей, запаздывании тангенциальной составляющей реакции связи от изменения её нормальной составляющей и прочее.

2. Исследование свойств трибоконтакта, как динамической связи, выполнено на элементарном контакте. В работе предлагается методика переноса свойств элементарного контакта на контактирующие поверхности сложной геометрической формы, что справедливо для подшипниковых узлов, обладающих малой скоростью относительного скольжения.

3. На основе формализма кватернионной кинематики предложена математическая модель роторной системы, учитывающая пространственное движение ротора и свойства трибосреды, формируемой в подшипниках скольжения. Полученная модель позволила изучать отображение изменения геометрических параметров зоны контактирующих поверхностей в координатах динамической системы.

4. Выполнено системное цифровое моделирование отображений геометрической анизотропии во временных реализациях координат состояния. Эти исследования позволили установить, что при всех рассмотренных дефектах вибрационные характеристики являются периодическими функциями пространственных координат, а именно угла поворота ротора а, в связи с чем, возможно рассмотрение не временных, а пространственных реализаций вибрационных характеристик, позволяющих осуществлять выделение диагностических признаков. Также было показано, что в широком диапазоне частот вращения ротора пространственная неоднородность в одном из подшипников скольжения практически не оказывает влияния на динамику центра ротора в другом подшипнике, была обнаружена возможность возникновения в подшипниковых узлах автогенерации с частотой зависящей от величины зазора между ротором и статором и прочее.

5. Для оценивания развиваемой геометрической неоднородности свойств контактирующих поверхностей предложено строить диагностическую модель на основе анализа последовательностей стробоскопического отображения Пуанкаре. Для этого было введено понятие оператора усредненного стробоскопического отображения Пуанкаре и исследованы его селективные свойства: получены формулы АЧХ, ФЧХ, полосы пропускания. Установлена принципиальная возможность использования этого оператора в задачах восстановления «зашумленного» сигнала.

Практическая значимость диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Разработаны алгоритмы и методы идентификации роторных систем, позволяющие на стадии проектирования рассматривать влияние на динамику различных конструктивных особенностей подшипниковых узлов.

2. Создан математический аппарат и предложен программно-аппаратный комплекс для диагностирования развиваемой геометрической неоднородности подшипниковых узлов непосредственно в ходе эксплуатации.

3. Предложенные алгоритмы без существенных изменений могут использоваться для решения смежных задач, например, для решения задач динамической балансировки роторов.

На защиту выносятся теоретические положения, касающиеся: предложенных методов изучения свойств трибоконтакта, разработанной математической модели роторной системы и результатов её исследования, предложенного метода восстановления сигнала и результатов теоретического исследования его свойств, а также практические решения, связанные с алгоритмами идентификации роторных систем, и предложенным программно-аппаратным комплексом диагностирования подшипниковых узлов.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием теории дифференциальных уравнений, теоретической механики и, в частности, кватернионной кинематики, теории вероятности и случайных процессов, теории трибосистем. Экспериментальные исследования проводились на кафедре «Автоматизация производственных процессов» Донского государственного технического университета, а также ФГУП ВНИИ «Градиент». Обработка данных и цифровое моделирование осуществлялись с помощью программ разработанных автором.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях:

1. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» в Санкт-Петербурге в 2006 г;

2. «Высокие информационные технологии в науке и производстве» в Ростове — на — Дону в 2006 г;

3. «Современные проблемы информатизации в моделировании и анализе сложных систем» в Воронеже в 2007 г;

4. «Динамика технологических систем» в Ростове-на-Дону в 2007 г;

5. «Современные проблемы информатизации в анализе и синтезе технологических и программно-телекоммуникационных систем» в Воронеже в 2009 г;

6. «Современные проблемы информатизации в проектировании и информационных системах» в Воронеже в 2009 г;

7. «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства» в Ростове-на-Дону в 2010 г.

Соответствие научному плану и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО ДГТУ по проблеме «Разработка теории управления механических систем, взаимодействующих с эволюционно изменяющейся средой» и «Разработка теории эволюционных преобразований динамической системы, взаимодействующей с средой» .

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержание которых изложено на 192 страницах, включая 5 таблиц, 68 рисунков приложение на 45 страницах и списка источников, состоящего из 82 наименований.

4.6 Выводы по главе.

Заключение

и общие выводы.

Цель диссертационного исследования, заключающаяся в повышении надежности роторных систем посредством использования алгоритмов диагностики их состояния по наблюдаемым вибрационным характеристикам на основе математического моделирования динамики роторной системы с учетом связей, формируемых трибосредой, достигнута. В работе предложена математическая модель роторной системы, включающей в себя ротор и два низкоскоростных подшипника скольжения. Важно подчеркнуть, что модель рассматривает пространственное движение ротора. Предложена методика и выполнена идентификация параметров трибоузлов для элементарного трибокон-такта. Эти данные позволяют учесть изменение свойств связи, формируемой трибоузлом при заданной геометрии контактирующих пар. Вся совокупность исследований позволяет на стадии проектирования изучать отображение изменения геометрии контактирующих пар на вибрационные характеристики, что является основой построения систем динамической диагностики развивающихся геометрических дефектов роторных систем.

В связи с этим, можно утверждать, что в диссертационном исследовании выполнено обобщение исследований в области динамики роторных систем под углом зрения построения систем динамической диагностики, что соответствует требованиям п. 7 положения ВАК РФ.

По диссертационному исследованию можно сделать следующие выводы:

1. Выполнено исследование динамических свойств трибосреды на примере взаимодействия индентора и образца. При этом, трибосреда рассматривалась как динамическая связь, объединяющая взаимодействующие объекты в единую систему. На этой основе были предложены уравнения связей, а также система характеристик описывающая их, а именно: матрица динамической жесткости и скоростных коэффициентов, элементы которых зависят от сближения контактирующих поверхностей. В процессе исследования этой связи было установлено: a) в общем случае суммарная матрица жесткости системы с учетом матрицы для жесткости трибосреды не является симметрической, что приводит к формированию циркуляционных сил, которые могут быть причиной самовозбуждения. b) матрица скоростных коэффициентов также не является симметрической. Это приводит к появлению гироскопических сил. Кроме того, в отдельных случаях симметрическая составляющая матрицы скоростных коэффициентов может стать отрицательно определенной, что приводит к появлению ускоряющих сил. Это, очевидно, тоже приводит к потере устойчивости системы.

2. Предложена методика идентификации системы динамических характеристик трибоконтакта, а также получена система аппроксимирующих характеристик, нормированных к площади контакта взаимодействующих поверхностей в виде полиномов п-ой степени.

3. В работе предложено использование операции интегрирования (аппроксимирующих характеристик, нормированных к площади контакта) по поверхности взаимодействия для переноса свойств элементарного контакта, на случай взаимодействия макроповерхностей, чья конфигурация отличается от конфигурации индентора. Правомочность использования подобного подхода объясняется малой скоростью относительного скольжения.

4. Предложена математическая модель роторной системы, позволяющая рассматривать пространственное движение ротора. При этом, для задания уравнений динамики ротора было получено уравнение Эйлера в кинематических параметрах Родрига-Гамильтона. Кроме того, подшипники скольжения рассматривались как трибосреда с идентифицированными динамическими характеристиками и представленными в виде аппроксимированных характеристик, нормированных к площади контакта. Это позволило получить универсальную математическую модель роторной системы, учитывающую пространственные неоднородности ротора и статора.

5. Исследовано влияние пространственных неоднородностей подшипниковых узлов на сигналы виброакустической эмиссии, а также на изменения угловой скорости. При этом было установлено. a) Посредством наблюдения за сигналом виброакустической эмиссии могут быть диагностированы только такие дефекты, при которых пространственная неоднородность ротора имеет период 27 г. b) Для диагностирования дефекта посредством наблюдения за параметрами угловой скорости необходимо, чтобы пространственные неоднородности статора и ротора, задаваемые соответственно функциями /1 (ф) и /2 (ф), имели периоды — и —, где п, к ч г. п к c) В широком диапазоне частот вращения ротора пространственная неоднородность того или иного узла трибосопряжения практически не оказывает влияния на динамику центра ротора другого узла трибосопряжения, что позволяет осуществлять независимое диагностирование узлов при использовании информации с датчиков виброакустической эмиссии. с!) Было показано, что при всех рассмотренных дефектах, вибрационные характеристики являются периодическими функциями пространственных координат, а именно угла поворота ротора а, в связи с чем возможно рассмотрение не временных, а пространственных реализаций вибрационных характеристик, позволяющих осуществлять выделение диагностических признаков.

6. Цифровое моделирование показало возможность возникновения в подшипниковых узлах автогенерации с частотой (порядка нескольких кГц), зависящей от величины зазора между ротором и статором. Также была обнаружена принципиальная возможность потери устойчивости узла трибосопряжения.

7. В работе введено понятие полезного сигнала, а также понятия детерминированной и стохастической помехи. Также определены понятия линейных операторов усредненного стробоскопического отображения Пул анкаре п-ого порядка V% и его предельный случай ТтУстановлена принципиальная возможность использования оператора V% в задачах восстановления сигнала (задачи выделения полезного сигнала и подавления помехи). Для этого исследовано влияние оператора Рт па полезный сигнал, а также оба типа помех.

8. Исследованы селективные свойства оператора V%. Получены функции АЧХ, ФЧХ и формула оценочного расчета полосы пропускания. Также исследована зависимость мощности восстановленного сигнала от соотношения частот полезного сигнала и стробоскопического отображения Гт ¦

9. Разработана структурная схема программно-аппаратного комплекса динамической диагностики роторной системы. Кроме того: a) предложены алгоритмы функционирования блоков, входящих в системуb) произведен выбор элементной базы и разработана схема электрическая принципиальная для аппаратной части системы.