Содержание к диссертации
Введение
1. Исследования в области динамики процесса трения. Виброакустическая диагностика трибосолряжений. Цель и задачи исследования 10
1.1. Моделирование динамики процесса трения 11
1.2. Трение как нелинейная система динамической самоорганизации. Избирательный перенос 15
1.3. Виброакустическая диагностика процесса трения 22
1.4. Цель и задачи исследований 26
2. Изучение формирования и преобразования стационарных состояний динамической системы трения 28
2.1. Математическое моделирование динамической системы трения 28
2.2. Изучение преобразований точки равновесия динамической системы трения 53
2.3. Влияние запаздывающих аргументов на формируемые многообразия. Бифуркации свойств динамической системы трения по величине запаздывающего аргумента 58
2.3.1. Скалярная динамическая система. Функция сближения монотонна 64
2.3.2. Система связанных колебаний в плоскости. Функция сближения монотонна 75
2.3.3. Скалярная динамическая система. Функция сближения монотонна. Запаздывающий аргумент зависит от смещения относительно точки равновесия в направлении .г/ 79
2.3.4. Система связанных колебаний в плоскости. Функция сближения немонотонна 80
2.3.5. Система связанных колебаний в плоскости. Функция сближения немонотонна. Запаздывающий аргумент зависит от смещения относительно точек равновесия в направлении
2.4. Совместное влияние запаздывающих аргументов и кинетической характеристики трения на многообразия, формируемые в пространстве состояний 86
2.4.1. Система с монотонной функцией сближения и кинетической характеристикой трения не учитывающей изменение знака силы трения при варьировании скорости 88
2.4.2. Система с монотонной функцией сближения и кинетической характеристикой трения учитывающей изменение знака силы трения при варьировании скорости 95
2.5. Формирование странных аттракторов в динамических системах трения 106
2.5.1 Формирование детерминированного хаоса типа аттрактора Лоренца в динамической системе трения 107
2.5.2 Формирование в динамической системе трения движений типа детерминированного хаоса 114
2.6. Выводы 116
3. Методика проведения исследований 122
3.1. Автоматизированный стенд и программно-аппаратное обеспечение экспериментальных исследований динамики процесса трения 122
3.1.1. Механическая часть 124
3.1.2. Аппаратное обеспечение 126
3.1.2.1 Прибор для записи и анализа виброспектральных характеристик PL302 126
3.1.2.2 Интерфейсная плата ввода-вывода Е-440 128
3.1.2.3. Приборы и оборудование для организации
исследований динамических систем трения 130
3.1.3. Организация проведения исследований 131
3.1.4. Программное обеспечение 132
3.2. Экспериментальный анализ виброколебаний при трении во времени и в фазовом пространстве 133
3.3. Спектральные характеристики 152
3.4. Выводы 171
4. Виброакустическая диагностика эволюционных преобразований узлов трения 174
4.1. Постановка задачи диагностики состояния трибосопряжений 174
4.2. Информационная модель динамической диагностики трибосопряжений 177
4.3. Особенности аппаратурной реализации и организации функционирования систем диагностики состояния три6осопряжений„.203
4.4 Выводы 209
Основные выводы и результаты 212
Литература 215
Приложения 22
- Трение как нелинейная система динамической самоорганизации. Избирательный перенос
- Изучение преобразований точки равновесия динамической системы трения
- Прибор для записи и анализа виброспектральных характеристик PL302
- Информационная модель динамической диагностики трибосопряжений
Введение к работе
Тенденции развития современного машиностроения таковы, что всё в большей степени становится недопустимым риск отказа машины в ходе ее эксплуатации, что связано не только с возможностью нарушения некоторого процесса, обеспечиваемого машиной, но и с риском для жизни человека и экологической системы. Поэтому изыскание методов повышения надежности функционирования машины и обеспечения её безотказности является всегда актуальной задачей. Известно, что отказы машины по причине выхода из строя трибосопряжений являются типичными и существенно влияют на ее показатели надежности.
Одновременно необходимо отметить, что эволюция принципов построения и функционирования машин характеризуется объединением традиционной машины и микро ЭВМ. В функцию последней включается обеспечение процессов управления, диагностирования и прогнозирования координат состояния машины в целом, отдельных её подсистем, чем обеспечивается повышение её надежности и во многих случаях качества функционирования.
Для решения задач диагностики трибосопряжений требуется создание новой информационной базы, которая может опираться и на анализ динамических процессов систем трения.
Важно также отметить, что совершенствование представлений о трении и изнашивании в трибологии всё в большей степени опирается на рассмотрение трибосопряжения как единой динамической системы взаимосвязанных координат состояния, взаимодействующих через трибосопряжение, формирующее нелинейную динамическую связь
В связи с этим следующим этапом развития трибологии, на наш взгляд, является раскрытие динамики трибосопряжений как единой системы силовых взаимодействий подсистем машины, приведённых к трибосопряжению, через трибоконтакт, определяемый динамической характеристикой процесса трения как динамической связью, раскрывающей изменение сил контактного взаимодействия от пространственных колебательных смещений и скоростей контактируемых поверхностей
Этот этап, на наш взгляд, продиктован развитием знаний в трибологии, в частности необходимостью объяснения эффектов динамической самоорганизации трибосопряжений, которая непосредственно определяет эволюцию любого трибосопряжения.
Этот этап также определяется потребностями практики, в том числе необходимостью существенного расширения информационной базы функционирования трибосистем в связи с проблемами диагностики. Именно становлению этого этапа посвящена настоящая диссертация, содержание которой связано с изучением динамики трибосопряжений.
В диссертации рассмотрены следующие проблемы, решение которых, на наш взгляд можно классифицировать как новое научное достижение в трибологии: создана система знаний о формировании стационарных многообразий в пространстве состояний трибосистем и их изменениях в зависимости от характеристик динамической системы трения. Выявлены особенности преобразования стационарных состояний динамической системы трения, в том числе бифуркации стационарных состояний, в зависимости от свойств потенциальных барьеров, формирующихся в динамической системе граничного трения с легированными смазками. Раскрыты бифуркационные преобразования многообразий в пространстве состояния в зависимости от запаздывающего аргумента, кинетической характеристики трения и параметров базовых динамических подсистем, приведенных к трибосопряжению (преобразование асимптотически устойчивых точек равновесия в предельные циклы, инвариантные торы и странные аттракторы). экспериментально, на машине трения, выявлены особенности формируемых в пространстве состояния многообразий в зависимости от внешних условий трения (скорости относительного скольжения, силы нормального давления и вида смазки) и показано, что для динамической системы трения характерны эволюционные преобразования, которые приводят к динамической перестройке системы в ходе ее функционирования; предложены математические алгоритмы и программы статистической обработки наблюдаемых временных последовательностей сигнала виброакустической эмиссии, позволяющие определять на стадии приемосдаточных испытаний конструктивные несовершенства узлов трения и оценивать степень развития макро- и микронесовершенств в подшипниковых узлах в процессе функционирования; создано программно-аппаратное обеспечение динамической диагностики трибосопряжений.
Новизна результатов, представленных в диссертации, определяется самой постановкой проблемы и заключается в следующем:
Изучено формирование стационарных многообразий в пространстве состояний динамической системы трения и выявлены особенности их преобразований в зависимости от следующих динамических характеристик трибосреды: существования запаздывания изменения сил при варьировании координат состояния механической системы и зависимость этого запаздывания от вариаций координаты в окрестности точки равновесия; существование участков немонотонности функций контактного взаимодействия; наличие падающего участка кинетической характеристики трения.
Вьшолнено систематическое исследование взаимосвязи изменения внешних условий трибосистемы (скорость относительного скольжения, нормальное давление, тип трибосопряжения, вид смазки и др.), а также в ходе эволюции трибоконтакта при неизменных внешних условиях с формируемыми в пространстве состояния многообразиями.
Предложено оценивать наблюдаемые временные последовательности математической авторегрессионной моделью с постоянными коэффициентами. Исследованы изменения корней характеристического полинома этого уравнения в зависимости от изменения внешних условий в ходе эволюции трибоконтактов. 4. Разработаны программно-аппаратные комплексы для построения систем динамической диагностики трибосопряженнй на основе использования современной микропроцессорной и компьютерной техники. Реализована система динамической диагностики трибосопряженнй в составе комплекса диагностики радиотехнических антенных систем в Федеральном Государственном Унитарном Предприятии «Всероссийский Научно-Исследовательский Институт «Градиент».
Эффективность и качество функционирования новых принципов динамической диагностики трибосопряженнй апробирована в результате внедрения созданного программно-аппаратного диагностического комплекса в ФГУП «ВНИИ «Градиент».
Проблемы, рассматриваемые в диссертационной работе можно разделить на две взаимосвязанные части: исследование динамики трибосопряжения, которые изложены во второй и третьей главах, и принципы построения систем динамической диагностики, которые изложены в четвертой главе
Основные результаты работы получены теоретически и экспериментально. При математическом моделировании динамической системы трения использовались следующие теории нелинейных дифференциальных уравнений: для изучения устойчивости системы при варьировании ее параметров использовался метод D-разбиения; для определения характеристик возникающих периодических режимов использовался метод гармонической линеаризации; для построения фазового портрета использовались методы прямого интегрирования.
Объяснение различных динамических эффектов трибосистемы в ходе её эволюции основывалось на использовании основных положений теории бифуркаций, теории формирования странных аттракторов и других положений современной теории нелинейных открытых многоуровневых динамических систем.
При оценивании экспериментальных последовательностей виброакустического сигнала использовались методы анализа временных рядов» основанные на классических положениях корреляционно-спектрального анализа и на построении авторегрессионных уравнений, а также применялся алгоритм синхронно-синфазного усреднения, обеспечивающий операцию отбеливания наблюдаемых временных последовательностей.
Научно-экспериментальной базой выполнения исследований была лаборатория трибологических исследований Института эксплуатации машин Радомского технического университета (Польша) и лаборатория диагностики Донского государственного технического университета (г. Ростов-на-Дону, Россия). Промышленная проверка алгоритмов и всего комплекса динамической диагностики трибосопряжений выполнена в условиях испытательного полигона ФГУП «ВНИИ «Градиент».
По материалам диссертации опубликованы 10 научных работ [227-236]. В статье [227] автору диссертации принадлежит часть, связанная со спектральной обработкой нестационарного сигнала виброакустической эмиссии процесса резания. В работе [228] автором было выполнено численное моделирование и анализ динамических свойств модели, а также предварительная обработка приведенных экспериментальных данных. В статье [231] автором предложена математическая модель, на основе которой выполнен анализ формирования инвариантных торов в динамической системе трения. В работах [232, 236] на основе модели, предложенной автором, показана неоднозначность поведения динамической системы трения. Все расчеты и моделирование также выполнены автором диссертации. В [235] в задачу автора входило построение программного обеспечения системы диагностики.
Результаты исследований докладывались на 4 международных конференциях. Диссертационная работа изложена на 227 страницах машинописного текста и включает введение, четыре главы, заключение, список использованной литературы из 236 наименований и приложения.
В первой главе дан аналитический обзор эволюции взглядов на динамику трибосопряжений, выявлены основные тенденции развития представлений о динамике трибосопряжений, дано состояние вопроса в области их диагностики и сформулированы цель и задачи исследований.
Вторая глава посвящена анализу формирования и преобразования стационарных состояний динамической системы трения, здесь главное внимание уделено изучению условий формирования в пространстве состояний различных устойчивых многообразий и анализу бифуркаций стационарных состояний при изменении внешних условий и свойств динамической характеристики процесса трения.
Третья глава посвящена исследованиям динамики трибосопряжений на основе изучения корреляционных матриц и спектральных матриц, оценивающих временные последовательности виброколебаний, дан анализ эволюции корней характеристических полиномов авторегрессионных моделей сигнала виброакустической эмиссии. Исследования опираются на обширный экспериментальный материал, полученный в рамках совместных исследований сотрудников ДГТУ и коллектива лаборатории трибологии Радомского технического университета (Польша).
Четвертая глава посвящена проблеме динамической диагностики состояния трибосопряжений на основе анализа сигнала виброакустической эмиссии. В ней приведены математические алгоритмы диагностирования состояния трибосопряжений и рассмотрены экспериментальные данные, полученные в результате испытаний комплекса диагностики на стенде испытательного полигона ФГУП «ВНИИ «Градиент».
Трение как нелинейная система динамической самоорганизации. Избирательный перенос
Изложенный выше материал показывает, что динамическая система с трением обладает следующими свойствами: - она является нелинейной, причем связи в этой системе формируются в результате множества актов микроконтактного взаимодействия, которые в дальнейшем суммируются и формируют общее воздействие на механическую систему, приведенную к трибосопряжению. Таким образом, налицо некоторое корпоративное поведение элементарных микроподсистем, причем их корпоративность обусловлена малой степенью свободы друг по отношению к другу, так как они относятся к единой поверхности, слабо деформируемой по отношению к общим деформациям элементов машины; - она имеет множество степеней свободы, как на элементарном микроуровне, так и как упруго-диссипативная подсистема машины, приведенная к трибоконтакту; - эта система является открытой, так как через нее проходит энергия, которая частично преобразуется в образование диссипативных структур (так называемого третьего тела) и корпоративность формирования связей не может не иметь отклика в формируемых диссипативных структурах, то есть, очевиден обмен не только энергией, но и информацией. Последняя как минимум определяется корпоративными свойствами связей, которые сами по себе могут трансформироваться в ходе эволюции системы; - наконец, эта система является стохастической, причем стохастика определяется как флуктуациями параметров, так и внешним шумом, формируемым как машиной, так и свойствами трибосопряжений.
В такой системе на основе современных представлений о стохастических колебаниях должны формироваться в отдельных случаях процессы самоорганизации, в других - развиваться хаос. Необходимо отметить, что широкомасштабные и планомерные исследования взаимосвязи хаоса и порядка ведутся относительно недавно.
Они показали [26, 27, 28, 39, 138, 139], что поведению сложных систем со многими степенями свободы при определенных условиях, а именно в нелинейной неравновесной области, где перестают работать законы классической равновесной термодинамики, может быть свойственна хорошая организованность и корпоративность поведения многих взаимосвязанных координат состояния.
Наряду с этим возможна и обратная картина: из упорядоченного движения рождается хаос. Причем даже малых вариаций параметров или начальных условий достаточно, чтобы координаты состояния перешли через бифуркационную поверхность и эволюционировали в сторону хаоса. Такой хаос принципиально отличается от хаоса, создаваемого в детерминированной системе под воздействием внешних флуктуации - флуктуационного хаоса. При этом динамика такой системы становится нерегулярной сама по себе, без влияния каких-либо внешних воздействий или внутренних флуктуации.
Остановимся коротко на анализе работ этого направления. Пример диссипативной системы со стохастическим поведением, по-видимому, впервые исследован в работе [139], в модели, представляющей собой трехмодовую аппроксимацию задачи двухмерной тепловой конвекции, обнаружены детерминированные движения, отличные от периодических. Уже в этой работе показано формирование устойчивых колебаний со сплошным спектром, которые в лучшем случае могут быть интерпретированы на основе внешнего анализа как розовый шум. Разработка концепции возможности появления сложных непериодических движений в динамических системах восходит к исследованиям Пуанкаре [140], где было введено понятие гомоклинических траекторий. Важным этапом на пути осознания возможности появления сложных непериодических движений явилось создание качественной теории динамических систем [18], разработка метода точечных отображений [18, 141, 142], исследование характера движений многомерных систем в окрестности сложных положений равновесия [146].
Наконец, было введено понятие "странного аттрактора", когда детерминированная в своей основе система имела траектории движения абсолютно непредсказуемые в фазовом пространстве. Следует отметить, что этот революционный шаг был подготовлен значительными достижениями не только качественной теории динамических систем [18, 141, 143, 145], но и достижениями в таких смежных областях математики, как эргодическая теория [145-147], символическая динамика [148, 149], теория бифуркаций [143, 144, 150, 161, 162], теория катастроф [151,152, 153].
В последние десять-юггнадцать лет исследования в области стохастических колебаний динамично развиваются. В результате получены следующие важные результаты: - выполнена идентификация аттрактора Лоренца как странного аттрактора в смысле Рюэля-Такенса, введены понятия квазигиперболического аттрактора и квазиаттрактора как типичных аттракторов динамических систем, описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями [143]; - результаты исследований в области теории одномерных отображений [142]; - обнаружены конкретные механизмы перехода к хаотическим колебаниям от регулярных, открыт универсальный закон о переходе к хаосу через сходящуюся последовательность бифуркации удвоения периода [144, 162], введено понятие размерности аттрактора; - получены экспериментальные результаты в различных гидродинамических течениях, указывающие на участие ограниченного числа мод в начальной стадии перехода к турбулентности [144]; - получен ряд бифуркационных явлений при переходе к хаосу от двухчастотных колебаний [153,154];
Изучение преобразований точки равновесия динамической системы трения
Следуя общепринятому принципу анализа динамических систем, изложенному в предыдущем параграфе, рассмотрим вначале влияние внешнего силового поля, задаваемого силами Ui и /? на точку равновесия системы.
В настоящей работе, как уже говорилось, ограничимся случаем, когда внешние силы //, U2 и скорость относительного скольжения VQ постоянны. Более того, заметим, что при изучении вариаций координат состояния относительно точки равновесия должно выполняться условие jxi =jx2e/t = 0, где Т - период колебаний. Указанное условие фактически соответствует тому обстоятельству, что стационарная траектория не может существенно удаляться от точки равновесия, полученной из условия і, =і2=0. В частности, если (x2dt = s, то при /-»оо значение интеграла \x2dt-± #, то есть индентор смещается на бесконечно большую величину, что невозможно хотя бы в силу того, что при этом силы упругости подвески индентора также должны уходить в бесконечность. В реальных условиях внешнее силовое поле и скорость относительного скольжения не являются постоянными, однако, в рамках настоящего исследования будем считать функции Ufa), U2(t) и Vo(t) медленными функциями времени, а динамическую систему "замороженной". Условия "замороженности" динамической системы, предложенные Л. Заде [19], фактически сводятся к тому, что в пределах времени импульсной реакции системы Ui, U2 и VQ можно считать постоянными величинами. Тогда медленные их изменения характеризуют эволюционные преобразования динамической системы трения, то есть, другими словами, эволюционные преобразования, которые определяются изменением внешних условий, характеризующих состояние системы трения.
В зависимости от вида нелинейной функции F (xltv0) при некоторых вариациях силовой нагрузки возможна множественность траекторий равновесия системы. Поясним формирование множества траекторий равновесия на примере нелинейной функции сближения, приведенной на рисунке 2.7. Приведенная нелинейная функция имеет два участка немонотонности. Более подробно эта характеристика была описана выше. Здесь же отметим, что два максимума на этой функции связаны с формированием потенциальных барьеров в функции сближения индентора с образцом [31].
Как показано на рисунке 2.8, при некоторых значениях внешнего силового поля прямая yz {c n-cnclx)xl-c21{F {v0) U +cn{F {vQ) U2) и функция ух = (сгг -ксп)F (xl,v0) пересекаются в трех точках. Таким образом, система может иметь три точки равновесия (x{j\ xt y хі3\ одна из которых, Х}2 как правило, является неустойчивой.
Очевидно, что при увеличении внешнего силового воздействия (на рисунке соответствует ІҐ) на участке неомонотонности нелинейной функции F\ixi va) траектория будет соответствовать кривой 4,3,1. При уменьшении же внешнего силового воздействия Ui (/")- 1,2, 4. То есть участок 2, 3, как правило, является неустойчивым и не воспроизводимым в экспериментах. Вместе с тем, участкам 4,3,1 и 1,2,4 соответствуют различные градиенты при увеличении и уменьшении внешнего силового воздействия, то есть имеет место гистерезис свойств динамической системы.
Важно отметить, что функция сближения имеет F X VQ) немонотонный характер, если по мере сближения поверхностей им необходимо преодолевать потенциальные барьеры, обусловленные разрушением или формированием некоторых диссипативных сред, например, разрушением масляной пленки при переходе от граничного трения к фрикционному взаимодействию или барьер, преодоление которого, как уже было отмечено, связано со структурированием молекул легированной смазки. Формирование потенциальных барьеров, проявляющихся в неомонотонности сил по мере сближения поверхностей, связано с диссипативными процессами в контактных зонах и являются одним из проявлений самоорганизации в трибосистемах.
Необходимо отметить, что условия существования ветвления точек равновесия в системе зависит не только от силовой характеристики процесса трения, показывающей зависимость сил от координат xt и х2, а так же и от свойств подвески индентора. Графически это можно интерпретировать следующим образом: значения коэффициентов жесткости подвески индентора определяют угол наклона прямой У —( AJ AI c22( 2(vo)+ i)+ 2( (vo)+ )» а значит и количество точек ее пересечения с функцией У (Сщ-Acn)/ 1 (jf,,v0) (рисунок 2.8). Таким образом, в зависимости от свойств подвески индентора, рассматриваемая система имеет либо три точки равновесия (xit\ хі2\ хц), либо одну дгД На рисунке 2.10 представлен пример преобразования координаты Л/ стационарных состояний при варьировании внешнего силовой нагрузки в нормальном и тангенциальном направлении для системы со следующими значениями параметров: Сц 1(Ґ Н/м, сп 1-10? Н/м, Сц І-ІО2 Н/м, С22=1-1(?Н/м, k=Q.l, F?(yo)=0JH, F22(vo) 0JH и ув=1м/с. В случае (2,10 а) функция сближения (дс Уд) моделировалась в виде гиперболы Ff(xl,vQ) = . Как говорилось выше, функция сближения / /( ,v0) параметрически зависит от скорости относительного скольжения v0, но на первом этапе эту зависимость уточнять не будем. Случаю (2.10 Ь) соответствовала немонотонная нелинейная функция, вид которой приведен на рисунке 2.7. 5 1 %$1а 25 Э 85 5 1 Й.ЛЛЙ 3 35 Рис. 2.10. Преобразование координаты xi стационарных состояний при варьировании нормальной и тангенциальной составляющей вектора внешнего силового поля для системы с трением а) функция сближения монотонно убывает; Ь) функция сближения немонотонна. Приведенный материал позволяет сделать некоторые предварительные выводы. 1. В приведенной дискретной конечномерной модели каждому значению внешнего силового воздействия соответствует одна или несколько точек равновесия. Точка равновесия характеризует координаты поверхности индентора по отношению к поверхности образца в трибосреде и фактически определяет расположение поверхности скольжения, по которой обеспечивается перемещение индентора относительно образца в пределах трибосреды. Свойства этой поверхности скольжения определяют важные эксплуатационные характеристики трибосистемы. 2. В трибосистемах, для которых характерны функции сближения, имеющие потенциальные барьеры (например, трение в среде нанометрических кластеров меди), точка равновесия зависит от направления изменения внешних сил. Известные экспериментальные исследования [34, 38, 47], показывающие неоднозначность поведения трибосистемы при увеличении и уменьшении нагрузки, можно объяснить преодолением потенциальных барьеров. 3. Одна и та же трибосистема в зависимости от матрицы жесткости подвески индентора и закона изменения внешних сил может обладать принципиально различными свойствами. Очевидно, что свойства трибосреды принципиально зависят от свойств точки равновесия, в частности, от того, устойчива она или нет, и какие стационарные многообразия формируются в системе, рассматриваемой в вариациях относительно этой точки.
Прибор для записи и анализа виброспектральных характеристик PL302
Виброанализатор (прибор для записи и анализа виброспектральных характеристик) PL302 разработан английской фирмой DI "Diagnostic Instruments" (Machine Analyzer, Diagnostic Instruments, 264 West Main Street, Whitburn, West Lothian, UK) и предназначен для измерения, ввода, предварительной обработки, статистического анализа информации о виброускорениях, регистрируемых пъезоакселераторами, входящими в комплект прибора. Главным достоинством прибора, несомненно, является метрологически достоверный ввод временной последовательности виброускорений в частотном диапазоне от 25 Гц до 50 кГц и возможность ее корреляционно-спектрального анализа сертифицированным программным обеспечением. Структура программного обеспечения виброанализатора PL302, представленная на рисунке 3.4 наглядным образом характеризует его следующие функциональные возможности: ввод временной реализации виброускорений по двум каналам одновременно в частотном диапазоне от 25 Гц до 50 кГц при максимальной длине реализации 4096 отсчетов (ПМЕ); разницу временных реализаций каждого канала (СН1-СН2); вычисление следующих статистических характеристик 1. автоспектр по каждому каналу (SPEC); 2. спектральную плотность мощности по каждому каналу (PSD); 3. первую производную временной реализации каждого канала (DIFF); 4. функцию когерентности между каналами (COHER); 5. передаточную функцию между каналами (FREQ RESP); 6. корреляционную функцию временной реализации каждого канала (XCOR).
Прибор предусматривает графическую реализацию вычисленных статистических характеристик в соответствующих масштабах и координатных осях: логарифмических, вещественных, временных, фазовых и в комплексной плоскости. Однако при проведении исследований прибор использовался, в основном, как измерительный преобразователь виброускорений и в отдельных случаях виброскоростей, так как для целей диссертации требовались совершенно иные алгоритмы обработки информации, чем те, которые представлены в приборе.
Интерфейсная плата ввода-вывода Е-440 предназначена для организации управления машиной трения МТ-2, например, такими ее параметрами как -нагрузкой U, приложенной к индентору, скоростью относительного скольжения v0 и температурой смазки в ванне /м. Функция управления также учитывает введение обратной связи по этим параметрам для обеспечения их стабилизации. С другой стороны, возможность управления U, v0 и /м позволяет сформулировать заданный режим функционирования трибосопряжения как для создания условий близких к реальным, так и задания специальных экспериментальных режимов, например линейного роста нагрузки U или планирование изменения нагрузки во времени, исходя из закономерностей динамики функционирования машины.
Дополнительно плата ввода-вывода Е-440 обеспечивает ввод в компьютер типа ШМ PC аналоговой информации о нагрузке U, скорости вращения контробразца я, скорости относительного скольжения vo, моменте трения Л/т, температуре масла 1Ш а также текущей величине износа в трибосопряжении Ил. Ввод и вывод информации осуществляется посредством USB-интерфейса.
В процессе проведения экспериментальных исследований приходилось наблюдать временные ряды, соответствующие естественному протеканию процессов в трибосопряжениях, а также реакции на некоторые специально вводимые возмущения. Для организации исследований динамических характеристик трения необходимо иметь оборудование для внесения в динамическую систему внешних дельтообразных возмущений и при этом одновременно фиксировать импульс силы и колебательные пространственные реакции индентора на эти возмущения.
Все экспериментальные исследования были проведены в лаборатории трибологии Радомского технического университета. С польской стороны исследования поддерживались доктором технических наук, профессором Марчаком М., докторантом В. Л. Заковоротного. Организация экспериментальных исследований была построена по следующему принципу: файлы экспериментальных данных через сеть Internet передавались в ДГТУ, где осуществлялась математическая обработка полученных массивов данных. Программа исследований, ее уточнение в ходе экспериментов осуществлялась в ДГТУ. В задачу автора настоящей работы входила обработка экспериментальных данных. В связи с этим необходимо подчеркнуть, что полученные результаты в равной мере принадлежат сотрудникам ДГТУ и Радомского технического университета. Автору настоящей работы принадлежит часть, относящаяся к обработке экспериментальных данных.
Важной частью автоматизированного стенда является оригинальное программное обеспечение, которое по функциональному назначению можно разделить на четыре группы: 1. программы, обеспечивающие съем» предварительную обработку и хранение информации; 2. программы статистического анализа случайных процессов, базирующиеся на методах корреляционно-спектрального анализа и теории вероятности, теории распознавания образов и дисперсионного анализа, программы идентификации параметров дифференциально-разностного уравнения, обеспечивающего операцию отбеливания временных рядов и вычисления корней характеристических полиномов для этих уравнений; 3. программы, обеспечивающие параметрическую идентификацию динамических характеристик механических систем; 4. вспомогательные программы промежуточных математических преобразований (например, центрирование, дополнение нулями, усечение, умножение на константу и другие) и графической визуализации результатов анализа. Последние три группы программного обеспечения реализованы на специализированном математическом программном продукте MATLAB, в том числе и на входящем в его состав программном пакете Signal Processing Toolbox.
Обобщенная последовательность обработки и анализа временных реализаций виброускорений включает следующие этапы: 1. управление нагрузкой U, приложенной к индентору, скоростью относительного скольжения v0, температурой смазки в ванне fM, включая стабилизацию этих параметров, а также обеспечение заданного закона их изменения в соответствии с целью испытаний; 2. в процессе проведения трибоиспытаний осуществляется постоянный ввод и запись в компьютер информации о нагрузке U, скорости вращения контробразца л, скорости относительного скольжения % моменте трения 132 Mi, температуре масла /м, а также текущей величине износа в трибосопряжении Ял; 3. одновременный двухканальный ввод временных реализаций виброускорений по нормальному i и тангенциальному х2 направлениям и запись их в память компьютера; 4. статистический анализ и графическая визуализация следующих параметров и характеристик, вычисленных по известным алгоритмам: - математическое ожидание и дисперсия; - авто и взаимные корреляционные функции; - авто и взаимные спектральные плотности; - амплитудо-частотные характеристики каждой реализации; - передаточная функция; - функция когерентности; - авторегрессионная модель временной реализации, ее корни и частоты, наилучшим образом формируемые частотный состав исходной реализации; - модель авторегрессии скользящего среднего взаимного преобразования временных реализаций нормальных колебаний JCI в тангенциальные х2, коэффициенты модели, корни и полюсы, а также частоты, наилучшим образом формируемые частотный состав реального преобразования.
Информационная модель динамической диагностики трибосопряжений
Приведенный формализм, дополненный экспериментальными исследованиями, позволит не только получить новые знания о параметрах динамических характеристик различных пограничных сред в ходе их эволюции, но и создать новое направление в построении систем динамической диагностики большого класса технических объектов (процессов обработки в компьютерном интегрированном производстве, узлов сопряжения роторных систем ответственного назначения, например, турбин и других).
Понятие состояния трибосопряжения достаточно сложное и многофакторное и вряд ли в рамках одной работы его можно раскрыть исчерпывающим образом. В настоящей работе понятие состояния трибосистемы связано с оцениванием изменения микро- и макрогеометрических параметров сопрягаемых поверхностей и динамических характеристик трибосопряжения, распределенных по периметру вращения ротора. Преобразование макро- и микрогеометрических характеристик контактируемых поверхностей в литературе чаще всего ассоциируются с понятием износа. Однако износ является более интегральной характеристикой, не раскрывающей изменения всей поверхности контактируемых тел. Достаточно привести пример: если при одном и том же весовом износе, с одной стороны, равномерно изменяются все участки поверхности, с другой -некоторая локальная область, то работоспособность трибосопряжения может существенно варьироваться. Кроме этого микро- и макрогеометрические преобразования взаимосвязаны с физико-механическими свойствами формируемой в процессе трения трибосреды, то есть с динамическими ее свойствами. Более того, эти характеристики принимают непосредственное участие в формировании указанных свойств.
В ходе функционирования машины обычно выделяют три стадии преобразования макро- и микрогеометрии. Первая стадия — этап приработки. На этой стадии в результате многочисленных микро- и макрогеометрических взаимодействий происходит регуляризация контактируемых поверхностей и наблюдается постепенный переход на стационарное состояние, то есть выход на вторую стадию функционирования системы. Эта стадия удерживается достаточно длительно и соответствует времени рабочего режима. В ходе функционирования в системе происходит постепенное накопление дефектов в приповерхностных областях, что в итоге вызывает существенное изменение микро- и макрогеометрии поверхностей контактируемых тел. На этой стадии координаты системы увеличивают свою неопределенность, процесс трения переходит в режим катастрофического изнашивания и система в целом может потерять свою работоспособность. Все эти процессы находят отражение в статистических характеристиках сигнала виброакустической эмиссии.
Наблюдаемые вибрационные колебательные ускорения 3 (/) и x2(t)r представленные с временным шагом, определяемым верхней частотой модели, преобразуются в колебательные скорости и смещения х$) и х$). При этом используются алгоритмы интегрирования стационарных процессов с удалением трендов, обусловленных постоянными интегрирования. Временные последовательности xi(t) и xrft) характеризуют исходную выборку, которая обрабатывалась по изложенным ниже алгоритмам.
Примем также во внимание то обстоятельство, что все формирующиеся устойчивые многообразия обусловлены избирательными свойствами системы трения. Для формирования этих многообразий в пространстве состояния, необходимо некоторое время. Система возбуждается периодическими процессами, связанными с частотой вращения ротора. Возможно также формирование многообразий, зависящих от свойств трибосреды, которые принципиально меняются от скорости относительного скольжения. Если она меняется настолько быстро, что в пределах импульсной реакции системы ее нельзя считать постоянной, то избирательные свойства системы не успевают проявиться. Это в равной мере относится и к формированию устойчивых многообразий в пространстве состояния.
Применительно к роторной системе (рисунок АЛ) это означает измерение вибрационных последовательностей при быстром изменении частоты вращения ротора (его разгон и торможение). Таким образом, временные процессы, анализируемые в системе с переменной скоростью относительного скольжения, переводятся в пространственные на основе построения цифровой анализируемой последовательности от датчика угла поворота ротора. Практика показывает, что в этом случае в последовательностях Xi(t) и х І) проявляются исключительно взаимодействия в трибосопряжениях, которые обусловлены регулярно распределенными по пространству трибосопряжения геометрическими несовершенствами.
Частота вращения ротора и частота формируемых многообразий могут быть кратными, тогда периодические составляющие сил контактного взаимодействия распределены кратно с периодом вращения ротора и должны формировать на поверхности ротора регулярно повторяющиеся несовершенства. Но, как правило, они не кратны, тогда экспериментально должна быть обнаружена некоторая подстройка пространственных и временных периодичностей.
